長(zhǎng)期以來(lái)，石墨烯納米填料極低的厚度-長(zhǎng)度比(長(zhǎng)徑比)一直被認(rèn)為對(duì)石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料的整體導(dǎo)熱性能有利，因?yàn)槠鋭?chuàng)造了較大的比表面積和額外的聲子傳輸通道。然而，有時(shí)長(zhǎng)徑比較低的納米填料并不能產(chǎn)生預(yù)期的更高的熱導(dǎo)率。為了解釋這一現(xiàn)象，我們采用基于麥克斯韋遠(yuǎn)場(chǎng)匹配石墨烯非理想界面的有效介質(zhì)近似，探討了石墨烯納米填料的長(zhǎng)徑比在有效導(dǎo)熱系數(shù)中的雙重作用。一方面，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯熱網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)始僅依賴(lài)于長(zhǎng)徑比。較低的長(zhǎng)徑比傾向于促進(jìn)熱通道的建立。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯界面熱系數(shù)與長(zhǎng)徑比之間存在持久的指數(shù)關(guān)系，而與基體材料無(wú)關(guān)。較低的長(zhǎng)徑比會(huì)導(dǎo)致較高的界面熱阻，從而可能導(dǎo)致較低的有效導(dǎo)熱系數(shù)。在這一理論框架下，這兩種效應(yīng)是相互競(jìng)爭(zhēng)的。討論了第二種效應(yīng)的產(chǎn)生原因，在長(zhǎng)徑比小于0.01的情況下，第二種效應(yīng)是不能忽略的。這一雙重作用理論通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)觀察得到了證實(shí)。
圖1. (a)石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料體系的示意圖，(b)高度扁圓形球狀石墨烯填料周?chē)斜A層，(c)石墨烯納米填料的幾何參數(shù)，以及(d)用紅色標(biāo)記的石墨烯-石墨烯接觸區(qū)域。
圖3. 含有納米填料M
5、M
15和M
25的GNP-聚碳酸酯納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率：理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較。
圖4. 含有納米填料M
5、M
15和M
25和H
5 的GNP-聚碳酸酯納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率：理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。
圖5. 分別使用含有納米填料M
15和H
15的GNP-環(huán)氧納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)：理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。
圖6. 得到了石墨烯-環(huán)氧納米復(fù)合材料中石墨烯的熱界面系數(shù)隨納米填料長(zhǎng)徑比的變化。
圖7. 得到了較寬基體-材料光譜的石墨烯納米復(fù)合材料中的石墨烯熱界面系數(shù)隨著納米填料長(zhǎng)徑比的變化(環(huán)氧，聚碳酸酯，硅，石蠟，聚乙烯)。
相關(guān)研究成果由北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系Chao Li等人于2021年發(fā)表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103453)上。原文：A dual-role theory of the aspect ratio of the nanofillers for the thermal conductivity of graphene-polymer nanocomposites。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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