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  石墨烯具有高導熱和輕質特性，基于石墨烯的傳熱材料，如石墨烯薄膜、三維石墨烯泡沫等，引起了研究者們越來越多的研究興趣。研究人員將相變材料（PCM）填充到三維石墨烯泡沫中，利用三維石墨烯泡沫的優異三維傳熱能力，獲得具有較好導熱性和高儲熱能力的復合材料。但是，這種復合材料僅利用了三維石墨烯泡沫骨架的傳熱性能，傳熱模式單一，無法最大化石墨烯的導熱性能優勢。如何實現多尺度石墨烯結構的有效結合，充分發揮石墨烯優異的導熱性能，對進一步提升石墨烯復合材料的綜合應用水平具有重要意義。

  鑒于此，近日，國防科技大學空天科學學院張鑒煒副研究員團隊利用重力輔助浸漬工藝（如圖2a），利用材料體系中的毛細力、表面張力與重力的平衡，實現了二維石墨烯薄膜（GP）與三維石墨烯泡沫/硬脂酸復合材料（GFSAC）的低熱阻連接。有別于傳統GFSAC，GP與GFSAC連接后，可以有效地將GP的快速面內導熱能力與GFSAC的三維導熱能力結合，使得熱量能夠更快地在復合材料中傳遞發散（如圖1c和d對比）。制備得到的GP/GFSAC/GP復合材料在石墨烯含量僅為0.53 wt%的條件下，厚度方向熱導率達到了1.72 Wm^-1K^-1，蓄熱系數達到了18.45 Jcm^-3/2m^-1/2s^-1/2K^-1/2。相關工作以“Phase change material filled hybrid 2D / 3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management”為題發表在Carbon（DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.046）上。

圖1. 蓄熱系數性能對比

圖2. GP/GFSAC/GP復合材料制備原理及導熱性能測試

  該工作開發的重力輔助浸漬工藝，極大地降低了GP與GFSAC之間的熱阻，并且GP/GFSAC/GP復合材料具備更加豐富的導熱機制，賦予了材料良好的導熱與儲熱性能。另外，由于石墨烯本身穩定的化學性質，GP/GFSAC/GP復合材料具備良好的熱穩定性能，在多次重復使用后，性能不會發生明顯衰減。

圖3. GP/GFSAC/GP復合材料熱穩定性能測試

  利用點熱源對不同樣品進行加熱，結果顯示GP/GFSAC/GP復合材料結構擁有最小的溫度差，以及最均勻的溫度分布，表明GP/GFSAC/GP復合材料具備良好的傳熱與儲熱性能。

圖4. GP/GFSAC/GP復合材料熱管理性能展示

  論文的第一作者為國防科技大學大學博士生梁耕源，通訊作者為國防科技大學張鑒煒副研究員，研究工作得到了國家自然科學基金（51803236）的資助與支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.046

  下載：Phase change material filled hybrid 2D / 3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management