高定向排布石墨烯基散热材料导热和辐射机理研究

Graphene has the highest thermal conductivity (up to 5300 W/m.K) among as-known materials so far. Assembling the nanoscaled graphene into macroscopic material is one effective strategy for real application. As the thermal property of graphene is highly anisotropic and in-plane thermal conductivity is highest, highly oriented arrangement of graphene sheet is beneficial to fully make use of the unique thermal property. This project proposes to fabricate highly-oriented graphene oxide foam using ice template, followed by thermal reduction and in-situ hot press sintering. As a result, the macroscopic graphene material will be achieved. The relationship among fabrication parameters, orientation and thermal conduction will be studied. The mechanism of its thermal conduction will be digested. This project will provide a scientific basis for graphene towards commercial application.

石墨烯面内的热导率高达5300W/m.k,是迄今为止热导率最高的材料，将纳米尺度的石墨烯组装成具有宏观尺度的三维材料是石墨烯应用的途径之一。因为石墨烯热导率是沿着二维方向，因此组装时如何最大限度地控制石墨烯走向是获得高热导石墨烯宏观材料的前提条件。本项目利用冰模板法制备高度有序的石墨烯泡沫，通过还原和原位加压烧结的办法获得具有三维尺度的石墨烯材料，研究制备工艺、定向排布和导热性能之间的关系，揭示三维石墨烯宏观材料的机理，对推动石墨烯在热学领域的应用提供理论基础。

本项目针对大功率电子器件对于高导热石墨烯块体材料的迫切需求，突破了石墨烯定向排布技术、原位致密化技术、异质材料封装技术、高度各向材料热导率评价技术，建立了石墨烯片与片之间的界面热阻模型，揭示了高导热石墨烯块体材料中热传输机理主要以声子传输为主。探究了石墨烯热辐射的影响因素。制备的石墨烯材料热导率大于1400W/m.K，弯曲强度大于60MPa，同时具有优异的环境稳定性。研制的基于石墨烯的三明治结构成功应用于光学相机上，并已经于2021年4月30日在酒泉卫星发射中心成功发射，目前已经正常工作6个月，光学相机热管理系统工作正常，均温度为1度，保证了300米幅宽的光学相机正常工作，为实时探测敌方海洋舰船做出了突出贡献。