石墨烯在强化传热领域的研究进展

石墨烯在强化传热领域的研究进展来源：科技导报，2015.33（5）作者：于伟谢华清陈立飞汪明珠齐玉上海第二工业大学工学部环境与材料工程学院研究背景研究进展12总结与展望3研究背景石墨烯是一种单原子层厚度的二维平面碳纳米材料，由sp2杂化碳原子连接而成，该特殊结构赋予了石墨烯独特的物理和化学特性。自Novoselov和Geim于2004年发现至今，石墨烯以超高载流子迁移率、高热导率、高强度、高比表面积等优点引起了科技界的广泛关注。2008年，通过实验得到了单层石墨烯的热导率，其值高达5300W·m-1·K-1。研究进展1石墨烯及氧化石墨烯薄膜（纸）的热导率美国加州大学共焦显微拉曼光谱原理结论石墨烯的拉曼光谱G带具有很强的温度敏感性，通过测试石墨烯G带拉曼位移的改变，计算得到石墨烯的热导率。单层石墨烯的热导率。分析了不同层数石墨烯拉曼光谱随温度变化的系数，得到了石墨烯的热导率与层数间的关系。谢华清等采用稳态自加热法研究自由悬架的石墨烯纳米带的热传输特性研究表明123热导率与温度关系很大，随温度的升高而增大T：-75℃～100℃K：126.21～877.32W·m-1·K-1在50℃时，石墨烯纳米带的热导率突增至1044.41W·m-1·K-1。误差小于5%，是一种可靠的测试石墨烯热导率的方法研究者研究发现Chen石墨烯拉曼光谱2D带的温度敏感性优于G单层石墨烯在真空中的最大导热率为3100W·m-1·K-1Lee采用类似的测试方法得到的热导率分别为1800W·m-1·K-1（325K）和710W·m-1·K-1（500K）Cai测试了悬架的石墨烯和有支撑的石墨烯的热导率，分别为2500和370W·m-1·K-1Schwamb采用四点测量方法，得到了还原氧化石墨烯的热导率，发现其热传输特性强烈依赖于石墨烯的氧化水平氧化石墨烯薄膜的面内和垂直方向的热导率改性后的氧化石墨烯纸的热导率具有各向异性，面内的热扩散系数和热导率分别为1.57×10-6m2·s-1和2.21W·m-1·K-1，垂直方向的热扩散系数为1.68×10-7m2·s-1.碱土金属离子改性的氧化石墨烯纸的热导率达到61.38W·m-1·K-1氧化石墨烯膜的导热性能研究2.石墨烯基纳米流体研究进展纳米流体指以一定方式在液体介质中添加纳米粒子或是纳米管而形成均匀、稳定、高效的新型换热介质性能预测石墨烯作为一种碳纳米材料，超高的热导率，使其在热管理领域具有很大潜能。石墨烯是二维纳米材料，相较于零维纳米颗粒和一维纳米管，其热传输特性和传热机制有很大不同。Yu研究乙二醇基含氧化石墨烯的纳米流体。因为氧化石墨烯表面有丰富的极性基团，有良好的亲水性，可在乙二醇得到很好的分散，具有良好的长期稳定性。纳米流体的热导率增加比随着基体热导率的增加而降低。两者的热导率相差越大，纳米流体热导率增加效果越明显虽然氧化石墨烯能够有效地增加纳米流体的热导率，但是其热导率增加比远小于预期值氧化石墨烯的本身热导率小于石墨烯，而且氧过程产生的结构缺陷，直接影响了热量沿着二维平面的传输纳米流体的热导率增加比随着氧化石墨烯的添加量的增加而近似线性增大氧化石墨烯具有很强的亲水性，能够均匀稳定地分散在极性溶剂中，但是很难分散在非极性溶剂中。于伟等采用相转移方法制备了均匀稳定的含有氧化石墨烯的非极性溶剂的悬浮液氧化石墨烯还原，在还原过程中加入表面活性剂，阻止石墨烯的团聚，得到易在极性溶剂中分散的石墨烯。热界面材料是指在固体表面接触时（通常指发热源和散热器件）用于补充和填充因固体接触表面不匹配而产生的缝隙的材料通常需要具有优良的导热能力和良好的浸润性。石墨烯以其优异的热导率可以广泛应用各种类型的热界面材料如作为填料用于导热硅脂、导热凝胶、相变材料等热界面材料性能预测研究进展3.石墨烯热界面材料采用高温热还原的方法制备了还原的氧化石墨烯（RGO）采用插层—膨胀—剥离的方法制备了石墨烯纳米片（GNP）分别以RGO、GNP和天然鳞片石墨（NFG）为填料制备了导热硅脂体积分数导热率增加比结论1%RGO最大（103.8%）在低添加量时，RGO是最有效的填料1.25%显著的毛细效应，导热硅脂丧失流动性，限制了实际应用4.25%GNP最大（668%）远高于以NFG为填料的导热硅原因：1.二维平面结构、高热导率，降低了尺寸效应对声子散射的贡献2.比表面积较大，增加填料与基质的接触面积，降低了界面热阻Baladin课题组：研究石墨烯基热界面材料导热高分子复合材料是一种极具应用前景的功能材料，由于其具有热导率高、易加工、耐腐蚀等优点，因而在微电子、航空航天、军事装备、电机电器等领域发挥着非常重要的作用。对于填充型的高导热高分子复合材料，其优异的传热特性很大程度上取决于填料的性能。石墨烯以其超高的载流子迁移率、优异的热导率、高比表面积和高强度等优点，在高导热高分子复合物材料领域具有广泛应用潜力。导热复合材料性能预测研究进展4石墨烯导热复合材料该复合物的热导率随着石墨烯纳米片的含量的增加而线性增大，当体积含量为20%时，其热导率达到4.11W·m-1·K-1，是尼龙6复合材料热导率的15倍。于伟采用机械共混法制备了以石墨烯纳米片为填料的高导热尼龙6复合材料研究表明，填充型复合物材料的导热性能受到导热填料的热导率、种类、粒径、结构形态和表面润湿程度等因素的影响。石墨烯作为二维材料与一维材料、零维纳米材料可协同提高复合体系的热导率。石墨烯与零维的球形氧化铝在提高导热硅脂热导率方面具有明显的协同效应。石墨烯在添加量较少的情况下（质量分数1%）即具有明显的协同强化传热效果，氧化铝在复合体系中的含量越高，协同效果越明显，其研究结果和模型分别如图8和图9所示潜力比表面积迁移率高规模化生产，解决成本高相容性问题，降低界面热阻和应力多尺度材料间的结构互补总结与展望平面结构类石墨烯材料的研究Thankyou!