高效熱傳輸對于熱管理領(lǐng)域非常有利。3D打印和二維（2D）材料的結(jié)合，比如石墨烯，BN等可能實現(xiàn)分級排列結(jié)構(gòu)編程。在這項工作中，形成了不對稱排列結(jié)構(gòu)，即石墨烯填充的熱塑性聚氨酯（TPU）復(fù)合材料，該過程是通過3D打印實現(xiàn)的。在石墨烯含量為45 wt％時，所打印的垂直結(jié)構(gòu)展示了貫穿平面的熱導(dǎo)率（TC），高達12 W m-1 K-1，該性質(zhì)約為水平打印結(jié)構(gòu)的8倍，并超過許多傳統(tǒng)粒子增強聚合物復(fù)合材料。如此優(yōu)異的TC主要歸功于各向異性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即石墨烯的最佳取向度和多尺度致密結(jié)構(gòu)。有限元方法（FEM）證實了各向異性TC設(shè)計對高導(dǎo)熱復(fù)合材料的本質(zhì)影響。
Figure 1. （a）石墨烯/TPU細(xì)絲的合成示意圖。（b）石墨烯/TPU復(fù)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(tài)，和（c-e）放大圖像，顯示大多數(shù)石墨烯片從表面突出。（f）石墨烯/TPU復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度與頻率的關(guān)系。（g）石墨烯/TPU復(fù)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(yīng)的方位角積分強度分布圖。（e）赫爾曼斯定向參數(shù)f與石墨烯含量的函數(shù)關(guān)系。（f）從z方向入射的X射線示意圖。（g-i）所打印的細(xì)絲的SEM圖像。
Figure 4. TP1和TP2樣品的（a）全平面熱導(dǎo)率和（b）熱擴散率。（c）TP1和TP2樣品的熱量傳導(dǎo)路徑示意圖。（d）計算的孔隙率。15％TP1樣品的（e）左側(cè)和（f）右側(cè)SEM圖像。（g）面板f中放大的石墨烯的有序堆積結(jié)構(gòu)。
該研究工作由北京大學(xué)Shulin Bai課題組于2021年發(fā)表在ACS Nano期刊上。原文：Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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