石墨烯在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的研究進(jìn)展

1、石墨烯在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的研究進(jìn)展石墨烯在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的研究進(jìn)展來(lái)源：科技導(dǎo)報(bào)，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(xué)工學(xué)部環(huán)境與材料工程學(xué)院研究背景研究背景研究進(jìn)展研究進(jìn)展12總結(jié)與展望總結(jié)與展望3研究背景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(jié)構(gòu)賦予了石墨烯獨(dú)特的物理和化學(xué)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(dǎo)率、高強(qiáng)度、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)引起了科技界的廣泛關(guān)注。2008年，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了單層石墨烯的熱導(dǎo)率，其值高達(dá)5300 Wm-1K-1。 研究進(jìn)展研究進(jìn)

2、展1 石墨烯及氧化石墨烯薄膜（紙）的熱導(dǎo)率石墨烯及氧化石墨烯薄膜（紙）的熱導(dǎo)率 美國(guó)加州大學(xué)美國(guó)加州大學(xué)共焦顯微拉曼光譜共焦顯微拉曼光譜原理原理結(jié)論結(jié)論石墨烯的拉曼光譜G帶具有很強(qiáng)的溫度敏感性溫度敏感性，通過(guò)測(cè)試石墨烯G帶拉曼位移的改變，計(jì)算得到石墨烯的熱導(dǎo)率。單層石墨烯的熱導(dǎo)率單層石墨烯的熱導(dǎo)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(dǎo)率與層數(shù)間的關(guān)系。謝華清等采用穩(wěn)態(tài)自加熱法穩(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研究表明 1 1 2 23 3熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系很大，隨溫度的升高而增大T： -75100K： 126.21877.32Wm-1K-1在5

3、0時(shí)，石墨烯納米帶的熱導(dǎo)率突增至1044.41 Wm-1K-1。誤差小于5%，是一種可靠可靠的測(cè)試石墨烯熱導(dǎo)率的方法研究者研究者研究發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)Chen石墨烯拉曼光譜2D帶的溫度敏感性?xún)?yōu)于G單層石墨烯在真空中的最大導(dǎo)熱率為3100Wm-1K-1Lee采用類(lèi)似的測(cè)試方法得到的熱導(dǎo)率分別為1800 Wm-1K-1（325 K）和710 Wm-1K-1（500 K）Cai測(cè)試了懸架的石墨烯和有支撐的石墨烯的熱導(dǎo)率，分別為2500和370 Wm-1K-1Schwamb采用四點(diǎn)測(cè)量方法，得到了還原氧化石墨烯的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其熱傳輸特性強(qiáng)烈依賴(lài)于石墨烯的氧化水平氧化石墨烯薄膜的面內(nèi)和垂直方向的熱導(dǎo)率改性后的

4、氧化石墨烯紙的熱導(dǎo)率具有各向異性，面內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率分別為1.5710-6 m2s-1和2.21 Wm-1K-1 ，垂直方向的熱擴(kuò)散系數(shù)為1.6810-7 m2s-1.堿土金屬離子改性的氧化石墨烯紙的熱導(dǎo)率達(dá)到61.38 Wm-1K-1氧化石墨烯膜的導(dǎo)熱性能研究2.石墨烯基納米流體石墨烯基納米流體研究進(jìn)展納米流體納米流體指以一定方式在液體介質(zhì)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(zhì)性能預(yù)測(cè)性能預(yù)測(cè)石墨烯作為一種碳納米材料，超高的熱導(dǎo)率，使其在熱管理領(lǐng)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(jī)制有很大不同 。Yu研究乙二醇

5、基含氧化石墨烯的納米流體。因?yàn)檠趸┍砻嬗胸S富的極性基團(tuán)，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(zhǎng)期穩(wěn)定性。 納米流體的熱導(dǎo)率增加比隨著基體熱導(dǎo)率的增加而降低。兩者的熱導(dǎo)率相差越大熱導(dǎo)率相差越大，納米流體熱導(dǎo)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(dǎo)率，但是其熱導(dǎo)率增加比遠(yuǎn)小于預(yù)期值熱導(dǎo)率增加比遠(yuǎn)小于預(yù)期值氧化石墨烯的本身熱導(dǎo)率小于石墨烯，而且氧過(guò)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)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(dǎo)率增加比隨著氧化石墨烯的添加量的增加而近似線(xiàn)性增大增加而近似線(xiàn)性增大氧化石墨烯具有很強(qiáng)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

6、極性溶劑中。于偉等采用相轉(zhuǎn)移方法制備了均勻穩(wěn)定的含有氧化石墨烯的非極非極性溶劑性溶劑的懸浮液氧化石墨烯還原，在還原過(guò)程中加入表面活性劑，阻止石墨烯的團(tuán)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(shí)（通常指發(fā)熱源和散熱器件）用于補(bǔ)充和填充因固體接觸表面不匹配而產(chǎn)生的縫隙的材料l通常需要具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力導(dǎo)熱能力和良好的浸潤(rùn)性浸潤(rùn)性。l石墨烯以其優(yōu)異的熱導(dǎo)率優(yōu)異的熱導(dǎo)率可以廣泛應(yīng)用各種類(lèi)型的熱界面材料 如作為填料用于導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、相變材料等熱界面材料性能預(yù)測(cè)性能預(yù)測(cè)研究進(jìn)展3.石墨烯熱界面材料石墨烯熱界面材料采用高溫?zé)徇€原的方法制備了還原的氧化石墨烯（RGO）采用插層膨

7、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(dǎo)熱硅脂體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)熱率增加比導(dǎo)熱率增加比結(jié)論結(jié)論1%RGO 最大（103.8%）在低添加量時(shí)，RGO是最有效的填料1.25%顯著的毛細(xì)效應(yīng)，導(dǎo)熱硅脂喪失流動(dòng)性，限制了實(shí)際應(yīng)用4.25%GNP最大（668%）遠(yuǎn)高于以NFG為填料的導(dǎo)熱硅原因：原因：1.二維平面結(jié)構(gòu)、高熱導(dǎo)率，降低了尺寸效應(yīng)對(duì)聲子散射的貢獻(xiàn) 2.比表面積較大，增加填料與基質(zhì)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(dǎo)熱高分子復(fù)合材料是一種極具應(yīng)用前景的功能材料，由于其具有熱導(dǎo)率高、易加工、耐腐蝕熱導(dǎo)

8、率高、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因而在微電子、航空航天、軍事裝備、電機(jī)電器等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。n對(duì)于填充型的高導(dǎo)熱高分子復(fù)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。n石墨烯以其超高的載流子遷移率、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、高比表面積和高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在高導(dǎo)熱高分子復(fù)合物材料領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。導(dǎo)熱復(fù)合材料性能預(yù)測(cè)性能預(yù)測(cè)研究進(jìn)展4 石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料 該復(fù)合物的熱導(dǎo)率隨著石墨烯納米片的含量的增加而線(xiàn)性增該復(fù)合物的熱導(dǎo)率隨著石墨烯納米片的含量的增加而線(xiàn)性增大，當(dāng)體積含量為大，當(dāng)體積含量為20%20%時(shí)，其熱導(dǎo)率達(dá)到時(shí)，其熱導(dǎo)率達(dá)到4.11 Wm4.11 Wm-1-1KK-1 -1 ，是尼龍是尼龍6 6 復(fù)合材料熱導(dǎo)率的復(fù)合材料熱導(dǎo)率的1515倍。倍。于偉采用機(jī)械共混法制備了以石墨烯納米片于偉采用機(jī)械共混法制備了以石墨烯納米片為填料的高導(dǎo)熱尼龍為填料的高導(dǎo)熱尼龍6 6復(fù)合材料復(fù)合材料研究表明，填充型復(fù)合物材料的導(dǎo)熱性能受到導(dǎo)熱填料的熱研究表明，填充型復(fù)合物材料的導(dǎo)熱性能受到導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率、種類(lèi)、粒徑、結(jié)構(gòu)形態(tài)和表面潤(rùn)濕程度等因素的影響。導(dǎo)率、種類(lèi)、粒徑、結(jié)構(gòu)形態(tài)和表面潤(rùn)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(fù)合體系的熱導(dǎo)率。石墨烯與零維的球形氧化鋁在提高導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率方面具有明顯的協(xié)同效應(yīng)。石墨烯在添加量較少的情況下（質(zhì)量分