各向异性纳米纤维素/石墨烯导热材料的仿生构筑及机理研究

High efficiency thermal dissipation has become a key project in the new generation of information, communication and energy storage technologies and therefore it’s increasingly urgent to investigate the new thermal conductive materials as well as the thermal conductive mechanism.The design methods of bioinspired nacre-like structures are used to realize the orderly alignment of graphene in polymer matrix in this project. New flexible nanofibrillated cellulose/graphene (NFC/f-rGO) composites with anisotropic thermally conductivity will be prepared. The focus of this project is to maximize the anisotropic thermally conductivity and mechanical properties of NFC/f-rGO composites via orderly alignment of graphene and interface regulation. The effect of material’ s profiles and structures on the anisotropic thermally conductivity and mechanical properties will be study systematic. The thermal conduction mechanism of NFC/f-rGO composites with bioinspired nacre-like structures will be analysis by the effective medium theory and thermal conduction series and parallel system model. The relationship between structure and properties in NFC/f-rGO anisotropic thermally conductive materials will be established and valuable theoretical data will be provide for the further research on anisotropic thermally conductive materials.

高效散热成为新一代信息、通讯及能量储存技术中的重大课题，对新型导热材料及导热机理的研究愈加迫切。本项将珍珠层仿生材料设计原理应用于导热材料的结构设计中，构建新型柔性纳米纤维素/石墨烯（NFC/f-rGO）各向异性导热材料。重点通过石墨烯的取向排列和界面控制来最大限度的提高NFC/f-rGO材料的导热各向异性和力学性能。在分析石墨烯的含量、尺寸、石墨烯与石墨烯、高分子基体间界面作用等因素与材料紧密堆积层状结构的形成及各向异性导热性能关系的基础上，结合有效介质理论及导热串、并联模型，分析基于珍珠层仿生结构的NFC/f-rGO复合材料的导热机理。建立各向异性导热材料构效关系，为各向异性导热材料的研究提供有价值的理论依据。

项目背景及内容：高效散热成为新一代信息、通讯及能量储存技术中的重大课题，对新型导热材料及导热机理的研究愈加迫切。本项将珍珠层仿生材料设计原理应用于导热材料的结构设计中，构建新型柔性纳米纤维素/石墨烯（NFC/f-rGO）各向异性导热材料。重点通过石墨烯的取向排列和界面控制来最大限度的提高NFC/f-rGO材料的导热各向异性和力学性能。.重要结果及关键数据：将具有不同修饰程度的f-rGO与纳米纤维素进行混合，以真空辅助自组装的方法制备出类珍珠层结构的功能化石墨烯/纳米纤维素复合薄膜。通过监测石墨烯表面的修饰程度，并利用有效介质理论（EMA）计算出导热系数与界面热阻之间的关系。将功能化的石墨烯及纳米金刚石（ND）加入到纤维素溶液中分别制备出纤维素/功能化石墨烯及ND复合水凝胶，利用热压的方法实现复合水凝胶聚集态结构的转变，得到新型的纤维素/功能化石墨烯及ND导热复合薄膜，表征分析了形貌变化、界面作用、取向结构对新型导热薄膜的影响。复合薄膜的机械性能和热稳定性能能够达到甚至超过传统材料，并且，在石墨烯的含量仅为5 wt%时，复合薄膜的面内导热系数能够达到11.32W·m−1·K−1。多种功能集成的NFC导热复合薄膜的设计及制备。导热绝缘层可以起到纵向电绝缘的作用，导热导电层可以起到水平方向抗静电的功能，中间的NFC层可以保持其基体自身的机械性能。同时经过表面结构设计后，导热薄膜可具备优良的疏水能力，可以应用在环境潮湿的领域并保证自身的性能不受影响.科学意义：在分析石墨烯的含量、石墨烯与石墨烯、高分子基体间界面作用等因素与材料紧密堆积层状结构的形成及各向异性导热性能关系的基础上，结合有效介质理论及导热串、并联模型，分析基于珍珠层仿生结构的NFC/f-rGO复合材料的导热机理。建立各向异性导热材料构效关系，为各向异性导热材料的研究提供有价值的理论依据，具有重要的理论意义。