合肥研究院在石墨烯填充導(dǎo)熱復(fù)合材料研究方面取得進展

　　近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院先進制造技術(shù)研究所研究員王曉杰課題組提出將少量石墨烯與聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，從而提升PDMS導(dǎo)熱性能的研究思路，并與強磁場科學中心方軍課題組合作，在10特斯拉強磁場設(shè)備下制備出各向異性的石墨烯/PDMS復(fù)合材料。該課題組的研究結(jié)果表明，石墨烯在強磁場下的取向可以顯著地提升PDMS的熱導(dǎo)率。研究成果發(fā)表在復(fù)合材料期刊Composites Science and Technology上。

　　PDMS作為高分子有機硅聚合物的一種，具有高光學透明度、化學惰性、無毒、非易燃等特性，廣泛應(yīng)用于生物微機電系統(tǒng)、微流體裝置以及柔性電子設(shè)備等多個領(lǐng)域。然而PDMS的低熱導(dǎo)率嚴重制約了它的應(yīng)用功能。近年來，科研人員持續(xù)探索通過填充高熱導(dǎo)率填料以提高聚合物導(dǎo)熱性能的方法，然而很難在保證聚合物本身的柔韌性等優(yōu)勢的前提下大幅度地提升聚合物的導(dǎo)熱性能。

　　該課題組選用石墨烯（室溫下熱導(dǎo)率可高達5000W·m-1·K-1）作為導(dǎo)熱填料，與PDMS基體混合均勻后，在10T強磁場下使石墨烯發(fā)生取向形成各向異性化的特殊結(jié)構(gòu)，從而有效地提升PDMS的導(dǎo)熱性能。研究結(jié)果表明，在石墨烯質(zhì)量填充分數(shù)為3%的情況下，各向異性石墨烯/PDMS的熱導(dǎo)率比純PDMS材料高出174%。并且，在如此低的石墨烯填充情況下，PDMS可以保持其良好的柔韌性和生物適應(yīng)性。該研究提出的在強磁場下使石墨烯發(fā)生取向形成各向異性化結(jié)構(gòu)的方法，可以有效地提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，具有良好的應(yīng)用前景。

　　該研究得到了安徽省自然科學基金、重慶市基礎(chǔ)和前沿研究重點項目和常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃的支持。

　　(a)石墨烯在強磁場下取向形成各向異性結(jié)構(gòu)，圖中箭頭表示磁場方向；(b)石墨烯/PDMS熱導(dǎo)率與石墨烯質(zhì)量分數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。Isotropic代表各向同性試樣熱導(dǎo)率，Anistropic∥代表平行于磁場方向的熱導(dǎo)率，Anisotropic⊥表示垂直于磁場方向的熱導(dǎo)率。