近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所王振洋研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)“3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-激光界面工程-跨尺度性能調(diào)控”的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)出具有高各向異性導(dǎo)熱比、高光熱/電熱轉(zhuǎn)換效率同時(shí)兼具良好疏水性與機(jī)械性能的石墨烯/聚合物復(fù)合材料雙層結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Carbon和Chemical Engineering Journal上。
石墨烯是一種由sp2雜化碳原子構(gòu)成的二維材料，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)不僅使碳原子排列成蜂窩狀，還賦予了石墨烯優(yōu)異的熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性。同時(shí)石墨烯還展現(xiàn)出顯著的熱導(dǎo)率各向異性。在面內(nèi)（IP）方向，石墨烯晶格中的強(qiáng)共價(jià)鍵促進(jìn)了聲子在碳原子間高效傳遞。由于碳原子間強(qiáng)相互作用，聲子傳輸近乎無(wú)阻，從而使面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)1000～3000 W/(m·K)。但在通平面（TP）方向，相鄰層間微弱的范德華力引發(fā)顯著的聲子散射，導(dǎo)致跨層傳熱效率急劇下降，使其面外熱導(dǎo)率僅約5 W/(m·K)。此外石墨烯在太陽(yáng)光譜寬域范圍內(nèi)呈現(xiàn)的強(qiáng)吸收特性使其成為一種典型的光熱材料。
為了充分利用石墨烯片的各向異性導(dǎo)熱性能，研究團(tuán)隊(duì)首先通過雙噴嘴熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了石墨烯的定向排列并設(shè)計(jì)了石墨烯增強(qiáng)熱塑性聚氨酯（G-TPU）與純熱塑性聚氨酯（N-TPU）構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，評(píng)估了G-TPU/N-TPU雙層結(jié)構(gòu)的定向?qū)峒皟?chǔ)熱效果。研究發(fā)現(xiàn)，較大尺寸的石墨烯因其形成的連續(xù)導(dǎo)熱路徑而增強(qiáng)了面內(nèi)導(dǎo)熱性能。上層G-TPU復(fù)合材料IP方向上導(dǎo)熱率為4.54 W/(m·K)，約為TP方向熱導(dǎo)率的6倍，且N-TPU底層進(jìn)一步提升了該性能，使得G-TPU/N-TPU雙層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出約8的各向異性導(dǎo)熱比。
為了進(jìn)一步提升復(fù)合材料各向異性導(dǎo)熱性能，團(tuán)隊(duì)采用激光誘導(dǎo)處理了3D打印的石墨烯增強(qiáng)熱塑性聚氨酯（G-TPU/N-TPU）雙層結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，激光處理保留了復(fù)合物中的石墨烯片的取向和雙層結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)暴露與重構(gòu)了石墨烯網(wǎng)絡(luò)，形成了TPU碳化層并調(diào)控其缺陷態(tài)，顯著提升了各向異性導(dǎo)電性（RTP/RIP從1.45×106增至2.47×107）和各向異性導(dǎo)熱比（TCIP/TCTP增至9.1）。激光處理分解聚合物基體后，在復(fù)合材料表面形成的微尺度結(jié)構(gòu)與粗糙表面提高了材料表面疏水性（接觸角從88°增至約120°），使入射光發(fā)生多次反射以延長(zhǎng)光程，顯著增強(qiáng)了光熱轉(zhuǎn)換效率。
該工作結(jié)合有限元分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬，分析并優(yōu)化了熔融沉積成型打印模型與激光處理分解聚合物過程，有望為飛行器機(jī)翼表面和建筑物外墻天線光伏板的除冰防冰等應(yīng)用提供全新的解決方案。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622325000399?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725032255
圖1.FDM 3D打印的G-TPU/N-TPU雙層結(jié)構(gòu)及其各向異性導(dǎo)熱比。
圖2.激光誘導(dǎo)處理后LI-G-TPU/N-TPU雙層結(jié)構(gòu)的性能提升。
