長期以來，石墨烯納米填料極低的厚度-長度比(長徑比)一直被認為對石墨烯-聚合物納米復合材料的整體導熱性能有利，因為其創(chuàng)造了較大的比表面積和額外的聲子傳輸通道。然而，有時長徑比較低的納米填料并不能產(chǎn)生預期的更高的熱導率。為了解釋這一現(xiàn)象，我們采用基于麥克斯韋遠場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徑比在有效導熱系數(shù)中的雙重作用。一方面，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯熱網(wǎng)絡(luò)的開始僅依賴于長徑比。較低的長徑比傾向于促進熱通道的建立。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯界面熱系數(shù)與長徑比之間存在持久的指數(shù)關(guān)系，而與基體材料無關(guān)。較低的長徑比會導致較高的界面熱阻，從而可能導致較低的有效導熱系數(shù)。在這一理論框架下，這兩種效應是相互競爭的。討論了第二種效應的產(chǎn)生原因，在長徑比小于0.01的情況下，第二種效應是不能忽略的。這一雙重作用理論通過大量實驗觀察得到了證實。
圖1. (a)石墨烯-聚合物納米復合材料體系的示意圖，(b)高度扁圓形球狀石墨烯填料周圍有薄夾層，(c)石墨烯納米填料的幾何參數(shù)，以及(d)用紅色標記的石墨烯-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-聚碳酸酯納米復合材料的熱導率：理論結(jié)果與實驗數(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-聚碳酸酯納米復合材料的熱導率：理論結(jié)果與實驗數(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)氧納米復合材料的導熱系數(shù)：理論結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較。
圖6. 得到了石墨烯-環(huán)氧納米復合材料中石墨烯的熱界面系數(shù)隨納米填料長徑比的變化。
圖7. 得到了較寬基體-材料光譜的石墨烯納米復合材料中的石墨烯熱界面系數(shù)隨著納米填料長徑比的變化(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宇航學院力學系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
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