中國粉體網(wǎng)訊 近年來，石墨烯因其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，被譽(yù)為“新材料之王”。然而，如何高效制備高性能石墨烯基材料，尤其是高導(dǎo)熱界面材料，一直是科研界和產(chǎn)業(yè)界的難題。
近期，北京宇航系統(tǒng)工程研究所徐亞偉團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合磁場誘導(dǎo)組裝和催化石墨化的新方法，成功制備出高導(dǎo)熱石墨烯基界面材料，這一突破性成果或?qū)氐赘淖儾牧项I(lǐng)域的游戲規(guī)則！
石墨烯的“導(dǎo)熱之王”潛力
石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，其導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)超銅、鋁等傳統(tǒng)金屬，理論導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5300 W/m·K，是理想的導(dǎo)熱材料。然而，石墨烯在實(shí)際應(yīng)用中面臨兩大挑戰(zhàn)：
1.難以大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯：傳統(tǒng)方法制備的石墨烯往往存在缺陷，影響其導(dǎo)熱性能。
2.界面熱阻問題：石墨烯片層之間的界面熱阻會顯著降低整體材料的導(dǎo)熱性能。
徐亞偉團(tuán)隊(duì)的新方法，正是針對這兩大難題提出了創(chuàng)新解決方案。
石墨烯復(fù)合薄膜的制備過程示意圖
磁場誘導(dǎo)組裝，讓石墨烯“聽話”排列
傳統(tǒng)石墨烯材料的制備過程中，石墨烯片層往往雜亂無章地堆疊，導(dǎo)致界面熱阻高、導(dǎo)熱性能差。
徐亞偉團(tuán)隊(duì)巧妙地利用磁場誘導(dǎo)組裝技術(shù)，將Fe3O4負(fù)載到氧化石墨烯（GO）上形成磁性氧化石墨烯（MGO），并在外部磁場作用下使其排列成有序結(jié)構(gòu)。然后加入葡萄糖作為碳源，在800℃下進(jìn)行熱還原，以填充MGO薄膜中的缺陷并減少聲子散射。這種有序結(jié)構(gòu)不僅降低了界面熱阻，還顯著提升了材料的整體導(dǎo)熱性能。
(A)GO自組裝；(B)GO薄膜磁場誘導(dǎo)組裝；(C)MGO磁偶極子上的偏轉(zhuǎn)力；
薄膜SEM形貌圖：(D)GO；(E)MGO；(F)GO橫截面；(G)MGO橫截面；
(H)GO薄膜的自組裝和定向組裝方位角圖；(I)MGO薄膜的磁場誘導(dǎo)定向組裝示意圖
催化石墨化，讓石墨烯“更完美”
除了磁場誘導(dǎo)組裝，徐亞偉團(tuán)隊(duì)還引入了催化石墨化技術(shù)，使用Fe作為催化劑在1500℃下進(jìn)行催化石墨化，將非晶碳轉(zhuǎn)化為石墨化碳，進(jìn)一步減少聲子散射。最后，在1800℃下進(jìn)行第二次石墨化以修復(fù)結(jié)構(gòu)缺陷，最終制備出的石墨烯薄膜熱導(dǎo)率為1004.4 W/mK，顯著高于在相同條件下還原GO獲得的石墨烯薄膜（420.2W/mK）。
Fe催化石墨化機(jī)制示意圖
(A)GF、GLC-GF和GLC-Fe/GF薄膜的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率；
(B)GLC-1-Fe/GF,GLC-3-Fe/GF,GLC-5-Fe/GF,GLC-10-Fe/GF,GLC-15-Fe/GF和GLC-20-Fe/GF薄膜的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率
未來展望
徐亞偉團(tuán)隊(duì)的這一突破性成果，不僅為高導(dǎo)熱石墨烯材料的制備提供了新思路，也為石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，石墨烯材料有望在更多領(lǐng)域大放異彩，成為推動科技進(jìn)步的重要力量。
1.航空航天領(lǐng)域：高導(dǎo)熱材料可用于航天器的熱管理系統(tǒng)，有效解決極端環(huán)境下的散熱問題。
2.電子設(shè)備：隨著5G、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的散熱需求日益迫切，石墨烯基材料有望成為下一代散熱解決方案。
3.新能源領(lǐng)域：在鋰離子電池、燃料電池等新能源設(shè)備中，高導(dǎo)熱材料能夠顯著提升設(shè)備的熱管理效率，延長使用壽命。
參考來源：
1.Carbon，金臺資訊（人民網(wǎng)），網(wǎng)絡(luò)公開信息
2.中研網(wǎng)：石墨烯材料產(chǎn)業(yè)還面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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