三維石墨烯塊體導(dǎo)熱新紀(jì)錄：熱擴(kuò)散能力提升53倍，厚度突破12毫米

1背景介紹

高功率電子、航空航天與先進(jìn)制冷裝備對(duì)三維大塊高導(dǎo)熱材料需求激增，但石墨烯材料存在致命瓶頸：導(dǎo)熱性能隨厚度增加急劇衰減，現(xiàn)有石墨烯薄膜厚度通常小于 1 mm，熱擴(kuò)散能力僅 0.1–0.7 W/K，無(wú)法滿足高熱流密度場(chǎng)景下的高效散熱需求。傳統(tǒng)濕法輥壓工藝存在 “表皮效應(yīng)”，厚度增加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部取向混亂、孔隙劇增；干法直接壓制成型則缺陷密度高、晶界過(guò)多，兩者均無(wú)法制備厘米級(jí)厚度、仍保持超高導(dǎo)熱的三維石墨烯塊體，嚴(yán)重制約石墨烯在大功率熱管理、航空航天熱沉、低溫制冷等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

2研究成果

近日，上海交通大學(xué)胡海濤教授團(tuán)隊(duì)提出多尺度共混 + 多級(jí)壓力誘導(dǎo)（MBP） 創(chuàng)新策略，首次實(shí)現(xiàn)可厚化、三維高導(dǎo)熱石墨烯塊體（GPB） 的宏量制備。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)大尺寸 / 小尺寸石墨烯片多尺度復(fù)配填充空隙，結(jié)合重力取向與多級(jí)預(yù)壓致密化，徹底破解 “增厚即導(dǎo)熱暴跌” 的行業(yè)難題。

核心性能優(yōu)勢(shì)顯著：厚度突破方面，最大厚度達(dá)12.1 mm，是現(xiàn)有石墨烯高導(dǎo)熱材料的 10 倍以上；導(dǎo)熱性能方面，面內(nèi)熱導(dǎo)率最高829.5 W/(m·K)，12.1 mm 厚塊體仍保持521.2 W/(m·K)，垂直熱導(dǎo)率穩(wěn)定13.2 W/(m·K)；熱擴(kuò)散能力方面，最高達(dá)6.3 W/K，是傳統(tǒng)石墨烯材料的 8–53 倍；穩(wěn)定性方面，-25~150℃熱沖擊 300 次性能無(wú)衰減，兼具優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學(xué)強(qiáng)度。該團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)宏觀石墨烯面內(nèi)熱導(dǎo)率與片徑對(duì)數(shù)成正比的全新規(guī)律，為高熱流熱管理提供顛覆性材料方案，相關(guān)研究成果以 “Three‐Dimensional Highly Thermally Conductive Graphene Blocks by Multiscale Blending and Multistage Pressure Induction” 為題，發(fā)表于《Carbon Energy》。

3圖文速覽

圖1. 高導(dǎo)熱石墨烯材料制備流程.(a) 傳統(tǒng)濕法輥壓制備石墨烯薄膜流程示意圖；(b) 多尺度共混 + 多級(jí)壓力誘導(dǎo)（MBP）制備三維石墨烯塊體流程示意圖；(c) 石墨烯塊體面內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；(d) 石墨烯塊體垂直面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. 理化結(jié)構(gòu)分析.(a) 熱處理前后石墨烯粉體無(wú)機(jī)元素分析；(b) 熱處理前后石墨烯拉曼光譜對(duì)比；(c) 熱處理前后石墨烯 XRD 圖譜對(duì)比；(d) 不同尺寸石墨烯成型前后宏觀與微觀形貌；(e) 不同石墨烯制備塊體的微觀表面形貌；(f) 不同石墨烯制備塊體的宏觀形貌與 CT 截面圖；(g) 不同厚度石墨烯塊體宏觀形貌與微觀截面；(h) 0.2 mm 與 12.1 mm 厚石墨烯塊體小角 X 射線散射（SAXS）分析。

圖3. 熱性能表征。(a) 不同尺寸石墨烯制備塊體的雙向熱導(dǎo)率；(b) 石墨烯片徑與塊體面內(nèi)熱導(dǎo)率關(guān)系；(c) 不同小尺寸石墨烯復(fù)配制備塊體的雙向熱導(dǎo)率；(d) 不同小尺寸石墨烯復(fù)配的粒徑分布；(e) 不同厚度石墨烯塊體的雙向熱導(dǎo)率；(f) 不同厚度石墨烯塊體的最大熱流密度；(g) 不同溫度下石墨烯塊體的雙向熱導(dǎo)率；(h) 石墨烯塊體熱循環(huán)穩(wěn)定性；(i) 石墨烯塊體不同方向抗壓性能。

圖4. 熱傳導(dǎo)性能實(shí)驗(yàn)。(a) 面內(nèi)傳熱速率對(duì)比紅外熱成像圖；(b) 垂直面?zhèn)鳠崴俾蕦?duì)比紅外熱成像圖；(c) 自然對(duì)流下 GPB-MBP 與多層粘接 GPB 溫度響應(yīng)；(d) 強(qiáng)制對(duì)流下 GPB-MBP 與多層粘接 GPB 溫度響應(yīng)；(e) 高熱流場(chǎng)景下 GPB-MBP 與銅塊溫度響應(yīng)對(duì)比；(f) GPB-MBP 與文獻(xiàn)石墨烯薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率對(duì)比；(g) GPB-MBP 與文獻(xiàn)石墨烯薄膜垂直熱導(dǎo)率對(duì)比；(h) GPB-MBP 與文獻(xiàn)石墨烯材料熱擴(kuò)散能力對(duì)比。

來(lái)源：熱管理實(shí)驗(yàn)室 ThermalLink