高性能“三合一”新策略！中科院化学所《ACS Nano》：兼具高各向异性导热和导电性能的柔性石墨烯纳米复合材料

随着高功率、高集成度电子器件以及智能穿戴设备等的快速发展，越来越趋于小型化、轻量化、高效化，对电子器件的功率密度及高效热管理系统的要求越来越高，在工作过程中会产生大量的热，这些热量如不及时排除，将会严重影响到电子器部件的工作稳定性和安全可靠性。为满足特定的技术要求，在很多应用场合需要具备高度各向异性的高导热和导电柔性材料，高导热性作为散热器件可以大幅度降低器件内部或表面温度，进而高效、经济地利用热量，同时各向异性导电性可消除特定方向上的静电，为安全提供保障。目前，开发高各向异性的导热和导电柔性聚合物材料是一个具有挑战性和有意义的研究课题。

石墨烯作为一种独特的二维结构材料，拥有超大的比表面积、高的电子迁移速率、优异的导热导电性和机械强度等特性，其纳米尺寸效应赋予其优异的物化性能，是改善聚合物热、电、机械性能的最优填料之一，自2004年被发现以来已经广泛应用在提高聚合物的高性能与多功能方面，具有极大的理论研究及应用价值。然而，碳材料在聚合物基纳米复合材料中往往形成随机网络结构，并没有发挥出其超高的热学及电学性能，因此制备高度各向异性的导热和导电性能的复合材料是相当困难的。虽有文献报道所制备的复合薄膜具有各向异性和导热性能，但各向异性导电范围较窄，不能满足抗静电要求，限制了其在现代可穿戴便携式电子设备中的应用。通过在碳材料表面涂覆绝缘层的方法来限制其在特定方向的导电性，但由于更多界面热阻的引入导致复合材料的导热性能急剧下降。

【工作亮点】

针对纳米碳材料在复合材料中形成随机网络结构，制备同时具有高各向异性导热和导电性能的纳米复合材料的难题，近日中科院化学所马永梅研究、郑鲲博士研究团队以平整形态的石墨烯为功能填料，采用层层刮涂法（LBL scraping method）制备了石墨烯@萘磺酸盐（NS）/聚乙烯醇（GN/PVA）柔性纳米复合材料，NS充当连接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氢键）键桥的作用，得到的薄膜中石墨烯具有高度有序的层次结构和平整的形貌，该结构不仅在面内建立了良好的导电和导热网络，而且有效地阻断了面外方向的导电和导热路径，从而实现了复合材料集高各向异性导热和导电性能于一体的高性能化，同时复合材料显示出高的柔韧性和拉伸强度（由40 MPa提高到110 MPa）。相关工作以“Flexible Graphene Nanocomposites with Simultaneous Highly Anisotropic Thermal and Electrical Conductivities Prepared by Engineered Graphene with Flat Morphology”为题发表在《ACS Nano》。该工作得到了国家自然科学基金（51803218、51373184和51373179）、国家重点研发项目（2016YFB0303000和2016YFB110800）的资助。