上海交通大學、香港城市大學、西南交通大學及悉尼大學的多位學者，系統介紹了石墨烯的熱導率及其影響因素，石墨烯/聚合物復合材料的熱導率及其影響因素和研究進展，指出了石墨烯/聚合物導熱復合材料目前尚待解決的問題、新的挑戰和未來的發展機遇。綜述內容以“Thermal conductivity of graphene-based polymer nanocomposites”為題，發表在材料科學與工程著名期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》 上。

石墨烯由sp²雜化碳原子組成，非常高的聲子群速度和高度簡諧晶格，導致其具有極高的熱導率，被認為是聚合物熱導率增強的最佳填料。

目前增強石墨烯/聚合物復合材料的熱導率存在幾個問題：

一、石墨烯僅在結構完美的情況下才具有超高導熱率，邊緣、缺陷、褶皺、襯底、摻雜和修飾的存在都會使本征導熱率急劇下降；

二、石墨烯難以分散在聚合物基體中并形成的特定空間結構；

三、石墨烯和聚合物基體之間存在較大的界面熱阻。

影響石墨烯/聚合物復合材料熱導率和增強導熱率制備的影響因素及其應用前景

對于石墨烯/高導熱聚合物復合材料，優異的高熱導率和高長徑比是其兩個關鍵優勢，然而事物具有兩面性，優勢的背后依然存在一些問題：

一、石墨烯熱導率對許多因素非常敏感。缺陷、摻雜、同位素、褶皺、折疊、修飾，與基體的相互作用等都會導致石墨烯的熱導率顯著降低。表面修飾能提高石墨烯與聚合物基體的親和性但會導致石墨烯的熱導率降低。因此，提升石墨烯與基體之間的親和性和保持石墨烯的熱導率之間的矛盾是研究者關注的重點。

二、高長徑比條件下，石墨烯/聚合物熔體或石墨烯/聚合物的溶液具有高粘度，復合材料制備變得非常困難。

三、目前沒有方法能夠有效控制石墨烯與聚合物基體間界面熱阻、石墨烯與石墨烯片間的接觸熱阻的方法。

四、實驗發現，一些納米管和薄層石墨片具有比GO和RGO更完美的結構，導熱增強性能更好。石墨烯在高導熱聚合物復合材料中的優勢尚未得到很好證明。

五、石墨烯具有很高的導電性，能顯著提高聚合物復合材料的電導率。在石墨烯上涂覆一層無機納米粒子或絕緣聚合物等可使復合材料具有一定的電絕緣性，但一方面復合材料的熱導率受額外的界面熱阻和接觸熱阻的影響，另一方面石墨烯的高導電性使其聚合物復合材料無法承受高電壓。

石墨烯/聚合物復合材料若要獲得理想的熱導率，需解決以下問題：

一、大規模制造具有完美晶格的高質量石墨烯。目前量產石墨烯實際熱導率可能低至只有幾十W/m·K。

二、在石墨烯/聚合物復合材料的實際生產中，表面改性改善了加工性，但會降低石墨烯的本征熱導率；大尺寸的石墨烯具有高的導熱增強效率，但加工、分散困難。

三、利用預制的三維石墨烯導熱結構實現復合材料的高導熱是一種很有效的途徑，但界面熱阻和接觸熱阻還需深入研究。

四、石墨烯與不同導熱填料的協同效應，可以克服石墨烯形成層狀結構的弱點，改善其分散性，提高石墨烯的導熱增強效果。

五、石墨烯具有各向異性的熱導率，面內熱導率比面外熱導率高兩個數量級以上。利用施加電場/磁場、靜電紡絲、機械應變、注塑、滾塑、自組裝、冰模板、過濾和溶液澆鑄等方法，可以設計和制備具有高面內熱導率或高厚度方向熱導率的石墨烯/聚合物復合材料。

六、石墨烯及其復合材料宏觀和微觀熱導率測量和表征技術仍需要深入研究，還要研究材料在服役前/服役過程中的熱導率變化。

七、獲得石墨烯復合材料高熱導率的同時，保持低介電常數是非常有價值的。但石墨烯復合材料通常具有高介電常數，在未來通信技術中的應用嚴格受限。

原文鏈接：doi.org/10.1016/j.mser.2020.100577

信息來源：Materials Science & Engineering R: Reports，介電高分子材料

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