中南大学胡海龙、张帆团队：通过三维结构设计与胶凝动力学调控实现地质聚合物-石墨烯气凝胶复合材料导热性能的协同增强

研究背景

聚合物具备重量轻、成本低、易加工及耐腐蚀性好等诸多优势，但其分子链的无规缠结、高比例的无定形区域、链端缺陷以及非简谐晶格振动，会导致严重的声子散射现象，使声子平均自由程缩短。尽管晶体区域可在一定程度上提升导热性能，但有限的结晶度以及无定形区域对材料整体性能的主导作用，使得聚合物固有的导热系数通常低于0.3 W/m・K。这种先天的低导热性，严重限制了复合材料在快速散热场景中的应用。

尽管添加高导热填料（如碳化物、氮化物）可构建导热网络，但填料与基体间的界面热阻会显著降低材料整体的导热性能。此外，导热填料需达到渗流阈值才能形成连续的导热网络，而高填料含量会牺牲材料的力学强度与加工性能，难以实现性能平衡。本征导热聚合物需通过取向或结晶来提升有序性，然而加工过程中易引入缺陷。目前，聚合物的导热机制（如声子传输规律）尚未完全明确，分子结构与导热系数间的定量关系也有待确定，这导致材料设计缺乏精准的理论指导，常规聚合物的低导热性无法满足高端领域的需求。

地质聚合物作为一种以工业固废为原料的新型无机材料，其导热系数可通过成分调控与填料改性实现优化，在兼顾低碳环保特性的同时，展现出更优异的导热潜力。硅铝比作为地质聚合物的核心参数，直接决定其聚合度、微观结构与理化性能，进而影响其与填料的协同作用及导热效率。不过，目前关于硅铝比调控与导热系数相关性的研究相对有限。

已有研究表明，向水泥基复合材料中添加5wt%的石墨，可使其导热系数提升20.7%；添加1 wt% 的碳纳米纤维（CNFs）和碳纳米管（CNTs），分别可使水泥基复合材料的导热系数提升9%和26%；向混凝土中添加1vol% 的CNTs，其导热系数仅提升11.1%。这些研究中导热系数的提升幅度均未达理想水平，这主要是由于碳基填料难以在地质聚合物基体中均匀分散，导致复合材料内部热分布不均。除填料分散性外，界面在水泥基复合材料导热性能的调控中也起着关键作用—热量通过界面传递时，往往会因声子散射而受阻。

目前，针对地质聚合物基复合材料导热性能提升的研究，主要集中于填料添加与界面优化。传统导热填料与地质聚合物基体间较差的界面相容性，会加剧声子散射并增大界面热阻。近年来，研究开始关注填料尺寸、结构、表面形貌及在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响，通过改善基体与填料间的界面相容性，可促进填料在基体中的分散，避免填料团聚，从而降低界面热阻。例如，有研究通过将二氧化硅包覆的多壁碳纳米管（SiO₂-CNTs）引入导热地质聚合物基体，制备出地质聚合物纳米复合材料，使含5vol% SiO₂-CNTs 的复合材料较纯地质聚合物的导热系数提升71.7%。

然而，仅通过添加填料难以显著提升导热性能，这是因为填料—基体界面处的声子散射会产生较高的界面热阻。构建有效的互联三维（3D）导热网络结构（具备连续的填料—填料界面及更少的填料—基体界面），对于形成适宜的导热路径、提升复合材料（尤其是各向异性材料）的导热性能至关重要。近年来，在聚合物中构建三维填料骨架的研究备受关注，这种结构可减少聚合物与填料的接触面积，避免不必要的热阻，确保大部分能量在三维填料骨架内部传输。例如，有研究采用盐模板法制备出互联的三维聚砜/六方氮化硼—碳纳米纤维（PSF/BN-CNF）骨架，将其嵌入环氧树脂（EP）后，在28.61 wt% 的低填料负载量下，EP/PSF/BN-CNF 复合材料的导热系数达2.18 W/m・K，较纯环氧树脂提升990%。

石墨烯气凝胶作为一种由导热碳纳米材料构成的高多孔性材料，凭借其多孔结构带来的极低密度以及石墨烯本身的高导热性，成为极具潜力的超轻热管理材料。作为新型碳基材料，石墨烯气凝胶凭借其连续的三维网络结构、超高比表面积及优异的导热性，为构建高效导热路径提供了新途径。例如，有研究制备出三维骨架结构的还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶，通过真空浸渍法将其与环氧树脂复合，成功制备出高导热、低填料含量的环氧树脂复合材料，在相同填料含量下，其导热系数较分散体系提升132%。但现有研究多聚焦于单一填料浓度对复合材料性能的影响，缺乏对气凝胶网络密度与基体结构协同优化的系统探究。不同浓度的石墨烯气凝胶在地质聚合物中会形成差异显著的网络形貌，进而导致其与基体的界面结合状态及导热路径构建能力存在明显不同，这些因素与基体硅铝比共同影响复合材料的导热性能，是当前亟待解决的关键科学问题。

基于此，本研究从“材料—结构—功能”协同设计理念出发，通过调控地质聚合物基体中的硅铝比，系统探究硅铝比对基体微观结构、力学性能及导热特性的影响；同时引入不同浓度的三维石墨烯气凝胶作为填料，通过优化气凝胶网络密度与基体结构的匹配性，构建多级导热网络，旨在揭示硅铝比与填料浓度对复合材料导热性能的协同调控机制，为开发兼具低碳环保与高性能导热特性的地质聚合物基复合材料提供理论依据与技术路径，推动其在电子散热、航空航天热管理等领域的应用。

成果介绍

中南大学张帆、胡海龙团队通过调控地质聚合物基体硅铝（Si/Al）比与氧化石墨烯（GO）浓度，结合真空冷冻干燥与复合成型工艺，制备出地质聚合物-石墨烯气凝胶复合材料。实验表征（扫描电镜、透射电镜、纳米压痕测试）与有限元分析并结合理论计算，从材料宏观结构到微观界面层面证明：当硅铝比为1.64且添加0.34 wt%石墨烯气凝胶时，复合材料构建出连续三维导热网络，宏观上导热系数达0.94 W/m・K（较纯地质聚合物提升34.2%），比提升率（100.7%）远优于文献报道的高浓度填料体系；微观上界面热阻显著降低、声子传输效率提升，且在100℃高温下仍保持75.5% 导热性能与优异力学稳定性，有效解决了传统聚合物低导热性与高填料含量导致的性能失衡问题。该工作为低填料含量下兼具低碳环保与高性能导热特性的复合材料设计提供了理论基础与技术路径。该成果以 “Synergistic Thermal Conductivity Enhancement in Geopolymer-Graphene Aerogel Composites Through 3D Structuring and Gelation Kinetics”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1. 三维导热网络构筑：通过三维石墨烯气凝胶骨架的构建，实现连续热传导路径，有效降低界面热阻。
2. 硅铝比精确调控：调节Si/Al = 1.05-1.64，使地质聚合物基体结构逐渐致密化，增强声子传导。
3. 极低填料高效导热：仅0.34wt%的石墨烯气凝胶即可实现34.2%的导热提升，效率显著优于传统高填充体系。
4. 优异热稳定性与力学性能：在100℃条件下保持高导热性与高强度，适用于高温热管理领域。
5. 低碳可持续路径：利用粉煤灰等固废制备功能材料，实现资源高值化，契合“双碳”目标。

本文要点

要点一：复合材料制备与结构调控

图1：复合材料制备流程及微观结构表征图。

图1(a)展示了以废弃粉煤灰为前驱体制备地质聚合物及复合体系的实验流程，涵盖地质聚合物浆料制备、石墨烯气凝胶（GA）合成及二者复合成型步骤。图1(b-e)为不同氧化石墨烯（GO）浓度（2-8mg/mL）制备的石墨烯气凝胶横截面扫描电镜（SEM）图，可见随GO浓度升高，气凝胶孔径逐渐减小、结构更致密。图1(f-i)为1.64-2样品（Si/Al=1.64，GO浓度2mg/mL）的横截面SEM图及能谱图（EDS），C元素分布与石墨烯气凝胶位置一致，Si、Al元素在气凝胶区域的稀疏分布表明地质聚合物部分渗透至气凝胶孔隙，实现界面结合。

图2：复合材料导热性能与结构关联图。

图2(a)呈现不同Si/Al比样品的导热系数随GO浓度的变化，无石墨烯气凝胶时，Si/Al=1.35和1.50的地质聚合物导热系数最高（分别为1.03、1.14 W/m・K）；1.64-2样品导热系数达0.94 W/m・K。图2(b)的3D图进一步证实Si/Al比与GO浓度的双重调控对导热性能的优化作用。图2(c)对比不同 Si/Al 比地质聚合物与传统热塑性聚合物（0.3 W/m・K）的导热系数，显示地质聚合物导热优势显著；图2(d)表明1.64-2样品导热系数较1.64-0（无GO）提升34.2%。图2(e)的比提升率（100.7%）对比图显示该复合体系优于文献报道的高填料体系；图2(f)为室温下复合材料导热机制示意图，揭示三维导热网络、界面热阻降低及声子传输优化的协同作用。图2(g-i)则展示了复合材料不同区域中均匀分布的石墨烯。

要点二：高温性能与力学特性分析

图3：复合材料高温导热与结构机制图。

图3(a-d)为有限元分析（FEA）结果，几何模型（图3a）模拟石墨烯气凝胶构建的三维骨架与地质聚合物复合体系，温度梯度图（图3b-c）显示气凝胶网络区域温度梯度更小，证实其导热优势；等温线图（图3d）表明三维网络使复合材料温度分布更均匀。图3(e)为1.35-0、1.50-0、1.64-2样品的导热系数随温度变化曲线，100℃时1.64-2样品仍保持75.5%的初始导热系数，体现优异热稳定性。图3(f)为高温导热机制示意图，解释高温下地质聚合物化学键断裂、结构无序导致的导热系数下降；图3(g)展示地质聚合物的解聚—迁移—缩聚凝胶聚合机制，阐明其结构形成过程。

图4：复合材料纳米压痕力学性能图。

图4(a-f)为1.35-0、1.50-0、1.64-2样品在室温（RT）与100℃下的载荷—位移曲线，反映不同温度下的力学响应差异。图4(g-i)对比三种样品的压痕硬度、弹性模量与杨氏模量，显示1.64-2样品在室温及高温下均具备更高力学性能，且高温下无性能劣化，验证其力学与热稳定性的协同优势。

要点三：材料性能与应用潜力验证

图5：复合材料微观结构与应用演示图。

图5(a-h)为不同样品在室温与 100℃下的SEM对比图，室温下1.64-2样品（图5c-d）界面结合紧密，高温下（图 5g-l）虽出现轻微界面间隙，但仍保持结构完整性；元素分布图（图 5i-l）进一步证实高温下元素分布的连续性。图5(m-o)为1.64-2样品的热管理应用演示，250℃和300℃热暴露下，样品背面温度仅升高 6.4℃和50℃，显著优于传统绝缘材料，表明其在电子器件热管理、航空航天热控等领域的应用潜力。

本文小结

本研究通过将不同硅铝（Si/Al）组成的地质聚合物与不同氧化石墨烯（GO）浓度制备的气凝胶进行复合，系统构建了一种多组分复合材料体系，并揭示了结构调控对地质聚合物-石墨烯气凝胶复合体系性能的协同增强机制。研究发现，提高GO溶液浓度可使石墨烯气凝胶的孔径减小、结构致密化；通过对Si/Al比与石墨烯浓度的精准调控，当Si/Al比为 1.64 时，复合材料的导热性能得到显著优化。此外，添加超低含量（0.34 wt%）石墨烯气凝胶的 1.64-2 样品，其导热系数达 0.94 W/m・K，较纯地质聚合物提升 34.2%，且比提升率（导热系数提升量/填料含量）高达100.7%，远优于文献报道的高浓度导电填料体系性能。该性能提升源于多尺度协同效应：三维导热网络的构建、界面热阻的降低以及声子传输效率的提升。在力学性能方面，纳米压痕测试表明，与纯地质聚合物相比，该复合材料在室温及高温（100℃）下均表现出更高的压痕硬度、弹性模量与杨氏模量，且高温下未出现性能劣化，彰显出优异的热稳定性。本研究不仅为设计低填料含量下兼具高导热性与优异力学性能的复合材料提供了理论依据，更为电子器件热管理等应用场景中对材料轻量化、集成化的需求提供了技术支撑。

文献原文

题目：Synergistic Thermal Conductivity Enhancement in Geopolymer-Graphene Aerogel Composites Through 3D Structuring and Gelation Kinetics

作者：Wentao Sheng, Lei Chen, Fan Zhang, Hailong Hu

DOI:10.1002/cnl2.70067

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70067

作者介绍

盛文韬
第一作者

中南大学资源加工与生物工程学院硕士研究生，导师胡海龙副教授、张帆讲师。

张  帆
通讯作者

张帆，博士，中南大学资源加工与生物工程学院讲师，入选全球前2%顶尖科学家年度科学影响力榜单（2025年）。博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学机械与制造工程学院，荣获澳大利亚新南威尔士大学优秀博士论文院长奖，师从澳大利亚技术科学与工程院院士、新南威尔士大学机械与制造工程院院长Prof Chun-Hui Wang（王春晖教授）。长期从事先进功能复合材料及柔性电子应变传感器、柔性电子器件、地质聚合物及其复合材料的制备与性能研究。目前发表论文20余篇，其中第一作者或通讯作者19篇（含并列一作），主要发表在中南大学学报(自然科学版)（荣获湖南省硅酸盐学会论文一等奖），中国有色金属学报，复合材料学报，Nano Energy，Composites Part A，Journal of Materials Chemistry A，Composites Part B，Composites Science and Technology，Composites Communications，Microstructures（荣获封面论文），The Chemical Engineering Journal，Advanced Materials Technologies，Journal of Advanced Ceramics，Ceramics International，Chinese Journal of Aeronautics 等期刊。合作出版专著与本科教材各1部，排名第二。国家授权发明专利6项。主持国自科青基、湖南省自科青基及中南大学人才启动基金等项目。其中3项关于高分子复合材料柔性应变传感器的工作成果连续发表于复合材料国际著名期刊Composites Science and Technology上，对柔性传感器使用时面临的低敏感因子、信号漂移、不稳定性等问题，将实验结果与理论模型分析相结合，提高了敏感因子、降低了传感器的信号漂移等问题；提出了用单一柔性传感器同时实现温度与应变的多功能化测量，并提出了相关的经典模型。相关的研究成果可用于人体可穿戴设备及智能制造工程。

胡海龙
通讯作者

胡海龙，澳大利亚新南威尔士大学博士，中南大学航空航天技术研究院副教授，博士生导师。入选全球前2%顶尖科学家年度科学影响力榜单（2022年-2025年）。担任电子元器件关键材料与技术专委会委员、中国复合材料学会介电高分子复合材料及应用专业委员会委员、担任期刊编委或副主任编委。研究方向：复合电介质储能与电卡效应等结构功能一体化研究。发表本领域国际SCI期刊论文60余篇，第一作者或通讯40余篇。国家授权发明专利10余项。出版《先进结构功能一体化复合材料》专著1部，出版《航空航天复合材料及热结》教材1部，《柔性复合电介质储能与电卡效应制冷》专著即将出版。承担军科委基础加强计划项目（180万元）、航天科工装备发展部项目课题、国自科青年基金、中南大学人才启动基金、湖南自科面上基金、长沙市自科基金、国家重点实验室基金及横向课题等8项。承担《航空航天材料及应用》、《工程材料基础》等本科生课程，获教学研究项目资助8项，指导本科生大创省级课题5项。荣获中南大学教学成果奖一等奖和二等奖各1项，中南大学本科生课堂教学质量奖、研究生课堂教学质量奖、中南大学优秀班导师、学院教学质量监督组成员(2022-2024年)、2021年《中南大学学报(英文版)》优秀审稿专家、Journal of Advanced Dielectrics优秀青年编委、Microstructures2023年度最佳青年编委和2019年湖南省高校教师岗前培训优秀学员等荣誉称号。