高效熱傳輸對于熱管理領域非常有利。3D打印和二維（2D）材料的結合，比如石墨烯，BN等可能實現分級排列結構編程。在這項工作中，形成了不對稱排列結構，即石墨烯填充的熱塑性聚氨酯（TPU）復合材料，該過程是通過3D打印實現的。在石墨烯含量為45 wt％時，所打印的垂直結構展示了貫穿平面的熱導率（TC），高達12 W m-1 K-1，該性質約為水平打印結構的8倍，并超過許多傳統粒子增強聚合物復合材料。如此優異的TC主要歸功于各向異性的結構設計，即石墨烯的最佳取向度和多尺度致密結構。有限元方法（FEM）證實了各向異性TC設計對高導熱復合材料的本質影響。
Figure 1. （a）石墨烯/TPU細絲的合成示意圖。（b）石墨烯/TPU復合材料的典型FDM印刷工藝，包含擠壓（i）和沉積（ii）工藝。
Figure 2.（a）從0.4 mm噴嘴擠出的微絲示意圖，（b）從0.4 mm噴嘴擠出的40 wt％石墨烯/TPU微絲的橫截面形態，和（c-e）放大圖像，顯示大多數石墨烯片從表面突出。（f）石墨烯/TPU復合材料的復數粘度與頻率的關系。（g）石墨烯/TPU復合材料的儲能模量。
Figure 3.（a）TP和（b）IP樣品在不同石墨烯含量時的二維WAXS模式。（c）比較了不同樣品的一維XRD模式。（d）相應的方位角積分強度分布圖。（e）赫爾曼斯定向參數f與石墨烯含量的函數關系。（f）從z方向入射的X射線示意圖。（g-i）所打印的細絲的SEM圖像。
Figure 4. TP1和TP2樣品的（a）全平面熱導率和（b）熱擴散率。（c）TP1和TP2樣品的熱量傳導路徑示意圖。（d）計算的孔隙率。15％TP1樣品的（e）左側和（f）右側SEM圖像。（g）面板f中放大的石墨烯的有序堆積結構。
該研究工作由北京大學Shulin Bai課題組于2021年發表在ACS Nano期刊上。原文：Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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