石墨烯增强相变材料热导率，用于先进热能管理

来源 | Materials Horizons

原文 | https://doi.org/10.1039/D4MH00792A

背景介绍

利用相变材料固有的吸热和放热特性可进行高效的热能管理，已广泛应用于如大功率设备冷却、光热电转换、新能源电池热控制设计等先进能源领域。

在各种相变材料中，有机固液相变材料以其能量密度高、热稳定性好、无毒、生物相容性好、成本效益高等优点，在科学研究和技术应用中受到广泛关注。然而，有机相变材料的低固有热导率（≤0.5 W m^-1K^-1）这一瓶颈严重限制了其热能充放速率，逐渐演变为该领域的一个突出科学问题和关键应用挑战。

在相变基质中引入高导热填料制备复合材料是提高其导热性能的有效方法。在各种候选填料中，石墨烯固有的高热导率（基面热导率：3500-5300 W m^-1K^-1）和二维结构特性使其具有很大的发展潜力。石墨烯填料能够实现多尺度的界面调控、和从低维的微纳尺度到三维宏观尺度的结构设计。

大量研究表明，要在制造高导热复合材料时充分利用石墨烯热导率，石墨烯填料必须满足四个基本要求：1）具有高固有热导率的高质量石墨烯、2）在基质中具有相对较高的体积分数；3）相邻石墨烯之间具有较低接触热阻；4）石墨烯高度定向排列（与传热方向一致）。

实际应用中，由于石墨烯薄片之间的高接触热阻，在填充含量低于 30 Vol% 的情况下，对实现高于 10 W m^-1K^-1的热导率仍然具有挑战性。

成果掠影

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素材料团队薛晨、林正得和代文研究员合作，以紧密排列和重叠的石墨烯片形成的石墨烯团簇为填料，并将其与相变微胶囊和压缩成型技术相结合，制备出功能齐全且易于使用的复合材料（VBGC/PCMCs），在≈29 vol%的填料添加量下，复合材料的热导率达到 103 W m^-1K^-1，热荷率提高了两个数量级以上。这种形状可配置的石墨烯复合材料在大功率器件冷却、光热功率转换、新能源电池热控设计等先进能源领域表现出优异的热管理效率。研究成果以“van der Waals-bonded graphene clusters enhance thermal conductivity of phase-change materials for advanced thermal energy management”为题发表于《Materials Horizons》。

图文导读

图1. 石墨烯团簇制备和结构表征。

图2. VBGC/PCMCs制备。

图3. VBGC/PCMCs表征和热学性能测试。

图4. VBGC/PCMCs的热性能测试。

图5. LED散热器应用测试。

图6. 太阳热能转换和电池应用。