石墨烯在強化傳熱領域的研究進展

石墨烯在強化傳熱領域的研究進展來源：科技導報，2015.33（5）作者：于偉謝華清陳立飛汪明珠齊玉

上海第二工業(yè)大學工學部環(huán)境與材料

工程學院研究背景研究進展12總結與展望3研究背景石墨烯是一種單原子層厚度的二維平面碳納米材料，由sp2雜化碳原子連接而成，該特殊結構賦予了石墨烯獨特的物理和化學特性。自Novoselov和Geim于2004年發(fā)現(xiàn)至今，石墨烯以超高載流子遷移率、高熱導率、高強度、高比表面積等優(yōu)點引起了科技界的廣泛關注。2008年，通過實驗得到了單層石墨烯的熱導率，其值高達

5300W·m-1·K-1。

研究進展1石墨烯及氧化石墨烯薄膜（紙）的熱導率

美國加州大學共焦顯微拉曼光譜原理結論石墨烯的拉曼光譜G帶具有很強的溫度敏感性，通過測試石墨烯G帶拉曼位移的改變，計算得到石墨烯的熱導率。單層石墨烯的熱導率。分析了不同層數(shù)石墨烯拉曼光譜隨溫度變化的系數(shù)，得到了石墨烯的熱導率與層數(shù)間的關系。謝華清等采用穩(wěn)態(tài)自加熱法研究自由懸架的石墨烯納米帶的熱傳輸特性研究表明123熱導率與溫度關系很大，隨溫度的升高而增大T：-75℃～100℃K：126.21～877.32 W·m-1·K-1在50℃時，石墨烯納米帶的熱導率突增至1044.41W·m-1·K-1。誤差小于5%，是一種可靠的測試石墨烯熱導率的方法研究者研究發(fā)現(xiàn)Chen石墨烯拉曼光譜2D帶的溫度敏感性優(yōu)于G單層石墨烯在真空中的最大導熱率為3100W·m-1·K-1Lee采用類似的測試方法得到的熱導率分別為1800W·m-1·K-1（325K）和710W·m-1·K-1（500K）Cai測試了懸架的石墨烯和有支撐的石墨烯的熱導率，分別為2500和370W·m-1·K-1Schwamb采用四點測量方法，得到了還原氧化石墨烯的熱導率，發(fā)現(xiàn)其熱傳輸特性強烈依賴于石墨烯的氧化水平氧化石墨烯薄膜的面內和垂直方向的熱導率改性后的氧化石墨烯紙的熱導率具有各向異性，面內的熱擴散系數(shù)和熱導率分別為1.57×10-6m2·s-1和2.21W·m-1·K-1，垂直方向的熱擴散系數(shù)為1.68×10-7m2·s-1.堿土金屬離子改性的氧化石墨烯紙的熱導率達到61.38W·m-1·K-1氧化石墨烯膜的導熱性能研究2.石墨烯基納米流體研究進展納米流體指以一定方式在液體介質中添加納米粒子或是納米管而形成均勻、穩(wěn)定、高效的新型換熱介質性能預測石墨烯作為一種碳納米材料，超高的熱導率，使其在熱管理領域具有很大潛能。石墨烯是二維納米材料，相較于零維納米顆粒和一維納米管，其熱傳輸特性和傳熱機制有很大不同

。Yu研究乙二醇基含氧化石墨烯的納米流體。因為氧化石墨烯表面有豐富的極性基團，有良好的親水性，可在乙二醇得到很好的分散，具有良好的長期穩(wěn)定性。

納米流體的熱導率增加比隨著基體熱導率的增加而降低。兩者的熱導率相差越大，納米流體熱導率增加效果越明顯雖然氧化石墨烯能夠有效地增加納米流體的熱導率，但是其熱導率增加比遠小于預期值氧化石墨烯的本身熱導率小于石墨烯，而且氧過程產生的結構缺陷，直接影響了熱量沿著二維平面的傳輸納米流體的熱導率增加比隨著氧化石墨烯的添加量的增加而近似線性增大氧化石墨烯具有很強的親水性，能夠均勻穩(wěn)定地分散在極性溶劑中，但是很難分散在非極性溶劑中。于偉等采用相轉移方法制備了均勻穩(wěn)定的含有氧化石墨烯的非極性溶劑的懸浮液1432氧化石墨烯還原，在還原過程中加入表面活性劑，阻止石墨烯的團聚，得到易在極性溶劑中分散的石墨烯。

熱界面材料是指在固體表面接觸時（通常指發(fā)熱源和散熱器件）用于補充和填充因固體接觸表面不匹配而產生的縫隙的材料通常需要具有優(yōu)良的導熱能力和良好的浸潤性。石墨烯以其優(yōu)異的熱導率可以廣泛應用各種類型的熱界面材料如作為填料用于導熱硅脂、導熱凝膠、相變材料等熱界面材料性能預測研究進展3.石墨烯熱界面材料采用高溫熱還原的方法制備了還原的氧化石墨烯（RGO）采用插層—膨脹—剝離的方法制備了石墨烯納米片（GNP）分別以RGO、GNP和天然鱗片石墨（NFG）為填料制備了導熱硅脂體積分數(shù)導熱率增加比結論1%RGO最大（103.8%）在低添加量時，RGO是最有效的填料1.25%顯著的毛細效應，導熱硅脂喪失流動性，限制了實際應用4.25%GNP最大（668%）遠高于以NFG為填料的導熱硅原因：1.二維平面結構、高熱導率，降低了尺寸效應對聲子散射的貢獻 2.比表面積較大，增加填料與基質的接觸面積，降低了界面熱阻Baladin課題組：研究石墨烯基熱界面材料

導熱高分子復合材料是一種極具應用前景的功能材料，由于其具有熱導率高、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點，因而在微電子、航空航天、軍事裝備、電機電器等領域發(fā)揮著非常重要的作用。對于填充型的高導熱高分子復合材料，其優(yōu)異的傳熱特性很大程度上取決于填料的性能。石墨烯以其超高的載流子遷移率、優(yōu)異的熱導率、高比表面積和高強度等優(yōu)點，在高導熱高分子復合物材料領域具有廣泛應用潛力。導熱復合材料性能預測研究進展4石墨烯導熱復合材料

該復合物的熱導率隨著石墨烯納米片的含量的增加而線性增大，當體積含量為20%時，其熱導率達到4.11W·m-1·K-1，是尼龍6復合材料熱導率的15倍。于偉采用機械共混法制備了以石墨烯納米片為填料的高導熱尼龍6復合材料研究表明，填充型復合物材料的導熱性能受到導熱填料的熱導率、種類、粒徑、結構形態(tài)和表面潤濕程度等因素的影響。石墨烯作為二維材料與一維材料、零維納米材料可協(xié)同提高復合體系的熱導率。石墨烯與零維的球形氧化鋁在提高導熱硅脂熱導率方面具有明顯

的協(xié)同效應。石墨烯在添加量較少的情況下（質量分數(shù)<1%）即具有明顯的協(xié)