河北
1背景介紹
高功率電子、航空航天與先進制冷裝備對三維大塊高導熱材料需求激增，但石墨烯材料存在致命瓶頸：導熱性能隨厚度增加急劇衰減，現有石墨烯薄膜厚度通常小于 1 mm，熱擴散能力僅 0.1–0.7 W/K，無法滿足高熱流密度場景下的高效散熱需求。傳統濕法輥壓工藝存在 “表皮效應”，厚度增加會導致內部取向混亂、孔隙劇增；干法直接壓制成型則缺陷密度高、晶界過多，兩者均無法制備厘米級厚度、仍保持超高導熱的三維石墨烯塊體，嚴重制約石墨烯在大功率熱管理、航空航天熱沉、低溫制冷等領域的工程應用。
2研究成果
近日，上海交通大學胡海濤教授團隊提出多尺度共混 + 多級壓力誘導（MBP） 創新策略，首次實現可厚化、三維高導熱石墨烯塊體（GPB） 的宏量制備。該團隊通過大尺寸 / 小尺寸石墨烯片多尺度復配填充空隙，結合重力取向與多級預壓致密化，徹底破解 “增厚即導熱暴跌” 的行業難題。
核心性能優勢顯著：厚度突破方面，最大厚度達12.1 mm，是現有石墨烯高導熱材料的 10 倍以上；導熱性能方面，面內熱導率最高829.5 W/(m·K)，12.1 mm 厚塊體仍保持521.2 W/(m·K)，垂直熱導率穩定13.2 W/(m·K)；熱擴散能力方面，最高達6.3 W/K，是傳統石墨烯材料的 8–53 倍；穩定性方面，-25~150℃熱沖擊 300 次性能無衰減，兼具優異結構穩定性與力學強度。該團隊首次發現宏觀石墨烯面內熱導率與片徑對數成正比的全新規律，為高熱流熱管理提供顛覆性材料方案，相關研究成果以 “Three‐Dimensional Highly Thermally Conductive Graphene Blocks by Multiscale Blending and Multistage Pressure Induction” 為題，發表于《Carbon Energy》。
3圖文速覽
圖1. 高導熱石墨烯材料制備流程.(a) 傳統濕法輥壓制備石墨烯薄膜流程示意圖；(b) 多尺度共混 + 多級壓力誘導（MBP）制備三維石墨烯塊體流程示意圖；(c) 石墨烯塊體面內結構示意圖；(d) 石墨烯塊體垂直面結構示意圖。
圖2. 理化結構分析.(a) 熱處理前后石墨烯粉體無機元素分析；(b) 熱處理前后石墨烯拉曼光譜對比；(c) 熱處理前后石墨烯 XRD 圖譜對比；(d) 不同尺寸石墨烯成型前后宏觀與微觀形貌；(e) 不同石墨烯制備塊體的微觀表面形貌；(f) 不同石墨烯制備塊體的宏觀形貌與 CT 截面圖；(g) 不同厚度石墨烯塊體宏觀形貌與微觀截面；(h) 0.2 mm 與 12.1 mm 厚石墨烯塊體小角 X 射線散射（SAXS）分析。
圖3. 熱性能表征。(a) 不同尺寸石墨烯制備塊體的雙向熱導率；(b) 石墨烯片徑與塊體面內熱導率關系；(c) 不同小尺寸石墨烯復配制備塊體的雙向熱導率；(d) 不同小尺寸石墨烯復配的粒徑分布；(e) 不同厚度石墨烯塊體的雙向熱導率；(f) 不同厚度石墨烯塊體的最大熱流密度；(g) 不同溫度下石墨烯塊體的雙向熱導率；(h) 石墨烯塊體熱循環穩定性；(i) 石墨烯塊體不同方向抗壓性能。
圖4. 熱傳導性能實驗。(a) 面內傳熱速率對比紅外熱成像圖；(b) 垂直面傳熱速率對比紅外熱成像圖；(c) 自然對流下 GPB-MBP 與多層粘接 GPB 溫度響應；(d) 強制對流下 GPB-MBP 與多層粘接 GPB 溫度響應；(e) 高熱流場景下 GPB-MBP 與銅塊溫度響應對比；(f) GPB-MBP 與文獻石墨烯薄膜面內熱導率對比；(g) GPB-MBP 與文獻石墨烯薄膜垂直熱導率對比；(h) GPB-MBP 與文獻石墨烯材料熱擴散能力對比。
來源：熱管理實驗室 ThermalLink
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