ACS Nano：双曲面石墨烯框架突破复合材料导电导热功能增强效率极限

研究背景

聚合物功能复合材料具有成本低、易加工成型以及多功能特性，在现代生活中发挥着越来越重要的作用。传统的功能复合材料通常采用直接混合的方式制备，按照几何形貌，常用填料可分为零维粒子、一维纳米线、二维纳米片。复合材料遵循逾渗理论，在填料含量超过一定值时，材料性能大幅度提升。目前，大多数工作主要围绕逾渗阈值展开，即填料在复合材料中形成连续传导通路的最低含量。但是，在形成逾渗通路后聚合物复合材料的导电及导热性能有限，一般难以满足生产生活中的需求。因此，当填料分数超过逾渗阈值后复合材料导电导热性质的衍变，即形成填料网络对于复合材料性能的增强效率，是决定功能复合材料应用的关键。

相比其它纳米填料，二维石墨烯在功能复合材料的研究中展现出更为突出的性能优势。为防止石墨烯填料在形成三维传导网络时发生聚集，采用三维石墨烯网络填充聚合物已成为制备高性能复合材料的有效途径。三维填料网路不仅可为电子和声子提供连续的传导通路，而且显著提升了复合材料的填料增强效率，但是在传统石墨烯三维网络中，片层间常以线-线、线-面方式搭接成类“卡牌屋”结构，接触面积有限，不能解决二维欧式平面结构与三维复合空间之间的不兼容性。从几何填充角度出发，为在复合材料内部构筑理想的传导网络通路，二维片层几何曲率的调控是解决这一问题的关键。

为此，浙江大学高分子系许震研究员、庞凯博士提出了双曲面结构石墨烯连续网络可作为几何最优的功能填料，用于制备高导电导热复合材料。相关成果以“Hyperbolic Graphene Framework with Optimum Efficiency for Conductive Composites”为题发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05414）。论文的第一作者为浙江大学高分子系博士后刘晓婷，其中，浙江大学高分子系及高分子新物质创制国际研究中心博士后庞凯为共同一作和通讯作者。该论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学百人计划、博士后基金等相关经费的资助。

工作亮点

（1）引入了曲率设计的概念，显著增加三维网络间的接触面积，避免了欧式几何平面接触带来的缺陷，为电子和声子的高效传输提供了通道，拓宽了二维薄片的结构设计空间。

（2）打破了现有的聚合物复合材料单一填充体系导电导热增强效率极限，在最低填料含量下展现出最优的导电、导热性能，当体积添加量仅为1.6%时，电导率达到13911 S/m，热导率达到31.6 W/(mK)。

（3）柔性双曲面石墨烯复合材料可通过简单易行的真空灌注方式实现大规模制备，在电磁屏蔽、传感及热管理等领域展现出优异性能及巨大应用潜力。

图文导读

图1： 0D、1D、2D和3D纳米材料填充聚合物复合材料示意图。

图2 双曲面石墨烯气凝胶的制备与表征。

图3柔性双曲面石墨烯气凝胶复合材料的制备、结构及性能。

图4 PGCs的机械性能和电磁屏蔽性能。

图5 柔性PGCs的热管理应用。

本论文在前期工作的基础上（Advanced Materials, 2013, 25(18):2554-2560；Science Advances, 2020, 6(46):eabd4045；Advanced Materials, 2022, 34, 2103740），明确了双曲面网络结构可作为一种几何最优的填料体系，解决了石墨烯二维平面结构与三维填充空间之间的不兼容性，实现了高导电、高导热双曲面石墨烯增强聚合物复合材料的制备，且工艺简单，易于工业化生产及应用。