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  隨著5G技術，柔性智能穿戴等技術的飛速發展，芯片微型化，高度集成化和智能化，導致能量密度急劇上升，散熱問題日益嚴重，這使得對具有高度各向異性導熱和導電的柔性材料的需求急劇增加，這些材料不僅作為熱的導體快速將發熱點產生的熱量導出，也可作為熱屏蔽保護其下的設備組件。另一方面，具有高度各向異性導電的材料作為導體(≥10^-5 S cm^-1)，以消除特定方向上的靜電，如平面方向。反過來，在另一個方向為絕緣特性(≤10^-9 S cm^-1)，防止電流泄漏，提供安全的操作環境。二維石墨烯和碳納米管等碳材料由于其優異的導熱（2000-3000 W m^-1 K^-1）和導電（10⁴ S cm^-1）能力，成為制備各向異性導熱電導率納米復合材料的理想材料，近年來受到廣泛關注。

  直接以碳材料為填料制備的復合膜，雖然可獲得良好的各向異性導熱能力，但難形成高度各向異性的導電能力。

  在碳材料表面包覆絕緣層，可顯著提升各向異性的導電能力。但是，引入了過多的界面，導熱能力急劇下降。

  因此，兼顧導熱和導電的各向異性，仍是一項有挑戰的研究。

  近期，中科院化學所綠色印刷實驗室馬永梅研究員課題組在前期研究研究界面及復合材料導熱（界面結合強度調控傳熱（ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 23644-23649.）；納米分子層調控界面傳熱（ACS Nano 2016, 10, 7792-7798.；ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 42708-42714.）；石墨烯/尼龍導熱復合材料（Compos. Part. A-Appl. S. 2019, 120, 49-55.））的基礎之上，并受前人對石墨烯材料研究的啟發，該課題組最近利用界面修飾手段和層層刮膜技術，以平整石墨烯為原料，采用可與石墨烯和高分子基體分別形成pi-pi和氫鍵相互作用的助劑，控制石墨烯在復合材料中仍保持高度平整構象及規整排布，并與高分子基體形成良好界面，獲得了同時具備高各項異性的導熱和導電性能的柔性復合膜。

亮點：

1、同時展現高度各項異性導熱和導電能力；

2、利用界面調控劑，使石墨烯與高分子基體形成良好的界面結合，同時保持石墨烯高度平整構象及取向排列結構；

3、室溫制備，無污染，低成本，可規模化制備。

制備GN/PVA納米復合材料示意圖。

  如示意圖所示，具有芳香環結構的萘磺酸鹽一方面可以與石墨烯形成π-π相互作用，另一方面，其表面的磺酸根可與聚乙烯醇形成氫鍵，利于石墨烯在聚乙烯醇水溶液中均勻分散，制備均勻的石墨烯/高分子混合溶液。將溶液取一部分放置在干凈的玻璃板上并快速刮膜，在60.0 ℃烘箱中干燥10.0 min。然后取出玻璃板，重復刮膜和蒸發過程，直至獲得厚度為10 ± 1.0μm的復合膜。

石墨烯自身結構及其在納米復合材料中的狀態。

(a)石墨烯的SEM圖像。(b)石墨烯的AFM圖像。(c)大尺寸GN-10.0 wt %/PVA納米復合材料。(d) GN - 10.0 wt %/PVA納米復合材料的淬斷橫截面SEM圖像。GN-10.0 wt% / PVA納米復合材料中S (i)和C (ii)元素的EDS (d₁-d₂)。(e) G峰強度，I_G(θ)作為GN-10.0 wt % /PVA納米復合膜平面與入射激光電場矢量間的θ函數。(f) GN-10.0 wt %/PVA納米復合材料平面方向的TEM圖像。(g) PVA、GN和GN-10.0 wt %/PVA納米復合材料的拉曼光譜。

  采用微米級橫向尺寸、納米級厚度的平整石墨烯為填料，在層層刮膜的作用下維持石墨烯在復合材料中的平整結構，并獲得高度取向。同時，Raman（圖g）的測試結果表明，層層刮膜的制備工藝，在制備復合材料的過程中不會在石墨烯上引入多余的缺陷，這對石墨烯提高復合材料整體性能至關重要。

GN/PVA納米復合材料的性能。

(a)不同石墨烯含量的GN/PVA納米復合材料的各向異性熱導率。(b)不同石墨烯含量的GN/PVA納米復合材料的各向異性電導率。(c)該工作與已報道的各向異性導熱/導電復合材料做對比。灰色和藍色分別代表絕緣和防靜電區域。(d)納米復合材料的熱、電傳導機理。(e)不同石墨烯含量的GN/PVA納米復合材料的拉伸強度。

  石墨烯在復合膜內均勻分散、高度取向且保持平整的結構不僅建立了優越的平面方向導熱、導電網絡，同時有效地阻斷了軸向方向導熱、導電通路，因此獲得的復合膜具有顯著的各向異性。石墨烯添加量為10.0 wt%時，面內熱導率達13.8 W m^-1 K^-1，面內電導率達10^-1S cm^-1，而軸向熱導率和電導率僅為0.6 W m^-1 K^-1和10^-10S cm^-1。此外，該膜具有高柔性和拉伸強度（由純PVA的40 MPa提高至110 MPa）。

  下一步工作：研究高含量石墨烯復合膜結構和性能的調控。

  應用前景：該研究為制備高柔性、各向異性高導熱、導電功能復合材料提供了新方法。值得一提的是，該制備過程是在室溫下進行，沒有使用有機溶劑，無環境污染等問題，可大規模、低成本制備。此類材料有望在柔性電子器件，防靜電輸氣，輸液管道，電子產品用低阻值塑料包裝，防腐，電磁屏蔽等領域應用。

  相關成果以“Flexible Graphene Nanocomposites with Simultaneous Highly Anisotropic Thermal and Electrical Conductivities Prepared by Engineered Graphene with Flat Morphology”為題發表在最近的ACS Nano上，論文第一作者為博士生莊亞芳，通訊作者為鄭鯤博士和馬永梅研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04456