16倍導熱率提升！焦耳熱10秒合成SiC/石墨烯，賦能高功率電子散熱

2026年02月24日，天津城建大學賈國治、南開大學劉玉萍等在《Carbon》期刊發表題為“In-Situ Joule Heating Fabricating SiC/Graphene Composites: Interfacial Coupling and Synergistic Heat Transfer Boosting Superior Thermal Management”的研究論文。該研究開發了一種基于焦耳熱瞬態合成技術制備SiC/石墨烯（GNS）復合材料的新方法，以工業硅粉和石墨為原料，在10秒內成功合成高結晶度3C-SiC/GNS復合材料。通過KH550表面功能化改性，在填料與環氧樹脂基體間構建了共價鍵連接的低熱阻界面，顯著改善了界面相容性并降低了聲子散射。所制備的SiC/GNS@KH550/EP復合材料在30wt%填料含量下熱導率達2.85 W·m?1·K?1，為純環氧樹脂的16倍；同時表現出優異的光熱轉換性能（10wt%樣品平衡溫度達107.4°C）和良好的循環穩定性。該研究為工業廢硅粉的高值化利用提供了新途徑，所開發的復合材料在高功率電子封裝、光熱轉換器件等領域具有廣闊應用前景。

【研究背景】

1. 高功率電子器件熱管理需求迫切：隨著電子設備向高集成度、高功率密度發展，熱積累問題成為制約其性能與壽命的關鍵瓶頸。

2.環氧樹脂導熱性能嚴重不足：環氧樹脂因其優良的加工性和絕緣性被廣泛用于封裝，但其本征熱導率僅約0.17 W·m?1·K?1，難以滿足高效散熱需求。

3.單一填料構建導熱網絡存在局限：零維填料（如納米SiC）分散性好但難以形成連續導熱路徑；二維填料（如石墨烯）導熱率高但易團聚且界面相容性差。

4.SiC合成方法亟待綠色高效改進：傳統SiC制備方法能耗高、周期長，且與有機基體相容性差，限制了其在聚合物復合材料中的應用。

【研究方法】

1. 焦耳熱輔助合成SiC/GNS復合材料

將工業硅粉與石墨按1:1混合球磨后，置于碳紙與石墨氈之間，施加230 A脈沖電流進行焦耳加熱10秒，通過瞬態高溫（>1500°C）誘導固相反應，快速合成高結晶度3C-SiC/GNS復合材料。

圖1：焦耳熱輔助合成SiC/GNS示意圖

2.KH550表面功能化改性

首先用硝酸對SiC/GNS進行羥基化處理，然后將KH550水解后與羥基化SiC/GNS在80°C下反應6小時，通過脫水縮合形成穩定的Si-O-Si共價鍵，在填料表面引入氨基官能團。

3.環氧樹脂復合材料制備

將改性后的SiC/GNS@KH550分散于無水乙醇中，與環氧樹脂混合攪拌，加入固化劑后真空脫泡，倒入PTFE模具中室溫固化36小時，得到不同填料含量的復合材料。

4.材料表征與性能測試

采用XRD、Raman、FTIR、XPS分析材料結構與表面化學狀態；SEM/TEM觀察微觀形貌；穩態熱流法測試熱導率；808 nm激光照射結合紅外熱成像評估光熱轉換性能；TGA分析熱穩定性；萬能試驗機測試力學性能。

【研究結果】

1. SiC/GNS復合材料成功合成

XRD和Raman分析證實產物為高結晶度3C-SiC與少層石墨烯（ID/IG=0.32，層數約5層），XPS顯示C-Si和Si-C鍵為主要成鍵方式，TEM觀察到石墨烯包裹SiC顆粒的核殼結構

圖2：SiC/GNS的結構表征

2. KH550成功接枝于SiC/GNS表面

FTIR和XPS分析顯示，改性后樣品出現-CH?/-CH?特征峰及N1s信號，Si2p譜中出現Si-O-Si鍵（102.4 eV），證明KH550通過共價鍵成功接枝于SiC/GNS表面。

圖3：KH550表面功能化改性及表征

3.復合材料導熱性能顯著提升

30wt% SiC/GNS@KH550/EP復合材料熱導率達2.85 W·m?1·K?1，為純環氧樹脂（0.17 W·m?1·K?1）的16倍；紅外熱成像顯示其表面升溫速率和平衡溫度均優于純EP。

圖4：SiC/GNS@KH550/EP復合材料的散熱性能與熱穩定性

4.光熱轉換性能優異且穩定

10wt%復合材料在808 nm激光照射下平衡溫度達107.4°C，光熱轉換效率與輸入功率呈線性相關（R2=0.9988），經8次循環后性能無明顯衰減。

圖5：SiC/GNS@KH550/EP復合材料的光熱轉換性能

【展望】

1.焦耳熱合成技術具備產業化潛力

該方法可在10秒內完成SiC/GNS復合材料的合成，能耗低、效率高，適用于工業廢硅粉的高值化利用。

2.界面工程是實現性能提升的關鍵

通過KH550共價修飾構建低熱阻界面，顯著降低聲子散射，為高性能導熱復合材料的設計提供新思路。

3.該策略可拓展至多功能復合材料體系

未來可探索SiC與其他二維材料（如BN、CNT）復合，實現導熱、電絕緣、電磁屏蔽等多功能集成。

4.在高端熱管理領域具有廣闊應用前景

該復合材料在高功率電子封裝、光熱轉換器件、航空航天熱控系統等領域具備良好的應用潛力。

來源：焦耳熱超快合成