1030 W/(m・K) 导热与 0.91 发射率协同！仿生微辐射体 + 三模集成，石墨烯纸突破传导 – 辐射 – 对流三模散热技术瓶颈

背景介绍

航空航天等领域需高效耐用的散热材料，但传统石墨烯材料面临瓶颈：散热依赖单一热传导，忽略辐射与对流协同；极端环境下结构易失效；大面积制备困难且成本高。因此，开发兼具三模协同散热、环境稳定且可规模制备的石墨烯基材料，是突破高功率器件热管理的关键。

研究成果

近日，东华大学 李耀刚 教授，李克睿 研究员团队联合提出 “仿生微辐射体 – 三模集成” 设计策略，成功开发出三模集成石墨烯纸（3MI-GP），实现了热传导、热辐射与自然对流的协同优化。

该材料灵感源自沙漠蜥蜴（Pogona Vitticeps）的疙瘩状皮肤，通过简单的褶皱模板法制备，表面分布致密的 “微辐射体” 结构。这种仿生设计使材料具备卓越综合性能：散热性能方面，热导率高达 1030 W/(m・K)，红外发射率从 0.50 提升至 0.91，自然对流系数达 51.1 W/(m²・K)，350℃高温下可实现 61.6℃降温；极端环境稳定性方面，经 – 196~200℃真空高低温循环、600 W/m² 紫外线照射 14 天（等效 13.8 年太阳辐射）后，热性能衰减均 < 2%，结构完整性良好；制备与应用方面，可规模化制备面积 > 900 cm² 的柔性材料，实际应用于拟人机器人无框扭矩电机时，较普通石墨烯纸降温 28.5℃，有效解决电机高温积热问题。该材料制备工艺简单低成本，为极端环境下高功率电子设备热管理提供了高效解决方案，相关研究成果以 “Tri-Mode Integrated Graphene Paper With Biomimetic Heat-Dissipating Micro-Radiators in Extreme Environment” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》。

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523590

图文速览

图 1. 3MI-GP 的仿生设计与散热机制示意图。(a) 左侧为沙漠蜥蜴（Pogona Vitticeps）实物图，其背部疙瘩状皮肤用于高效散热；右侧为 3MI-GP 表面仿生微辐射体的 SEM 图像（比例尺 100 μm），清晰呈现致密分布的疙瘩状结构。(b) 左侧为传统平面石墨烯纸的散热示意图，仅依赖热传导，散热路径单一；右侧为 3MI-GP 的三模散热示意图，通过热传导快速传递热量，微辐射体增强红外辐射，同时诱导气流形成对流，实现三者协同散热。

图 2. 3MI-GP 的热传导与辐射性能。(a) 示意图对比：普通石墨烯纸（GP）仅具备高导热性，3MI-GP 同时集成高导热与高红外辐射性能。(b) 不同材料的面内热导率对比：3MI-GP 经石墨化后热导率达 1029.4 W/(m・K)，显著高于铝箔（202.4 W/(m・K)）、铜箔（406.6 W/(m・K)）及普通 GP；插图为铜箔与 3MI-GP 的红外热成像图，证实 3MI-GP 导热更快。(c) 红外发射率光谱：3MI-GP（GO 负载 0.25 mg/cm²）在 8-14 μm 红外窗口发射率达 0.91，远高于普通 GP 的 0.50。(d) 电场模拟分布：8 μm 电磁波入射时，普通 GP 电场能量快速衰减，3MI-GP 的微辐射体区域形成强电场局域化，增强等离子体共振，提升辐射效率。(e) 不同 GO 负载的 3MI-GP 与普通 GP 的红外热成像图：3MI-GP 表面温度更高，证实其辐射散热更强。(f) 仅辐射散热条件下，3MI-GP 覆盖的恒功率加热器平衡温度为 99.2℃，较普通 GP 低 7.7℃。(g) 传导 + 辐射协同散热条件下，3MI-GP 覆盖的加热器平衡温度为 87.5℃，较普通 GP 低 4.1℃。

图 3. 3MI-GP 的对流散热性能与高温散热效果。(a) 表面温度分布模拟：普通 GP（顶部矩形模型）表面温度分布均匀，3MI-GP（底部正弦周期模型）微辐射体间 “谷区” 温度更低，散热面积更大（较 GP 提升 224%）。(b) 气流场模拟：2.5 m/s 气流垂直吹扫时，3MI-GP 的 “谷区” 形成反向旋转涡对，增强气流与表面的热交换。(c) 强制对流下的表面温度变化：3MI-GP 5 分钟内从 42.8℃降至 37.2℃，降温幅度（5.6℃）远大于普通 GP（0.5℃）。(d) 不同加热功率下的对流换热系数：3MI-GP 的对流系数范围 33.4-51.1 W/(m²・K)，均高于普通 GP（20.7-44.0 W/(m²・K)）。(e) 传导 + 辐射 + 对流协同散热：3MI-GP 覆盖的加热器平衡温度 73.8℃，低于普通 GP（95.9℃）和高发射率涂层 GP（HE-GP，85.1℃）。(f) 高温环境散热：3MI-GP 可使 350℃的加热器降温 61.6℃，远优于普通 GP 的 32.7℃降温效果。

图 4. 3MI-GP 的极端环境稳定性与实际应用。(a) 大面积 3MI-GP 实物图：面积 > 900 cm²，具备良好柔性，可弯曲折叠。(b) 极端环境处理后的热导率变化：3MI-GP 经高低温循环、紫外线照射后，热导率衰减仅 0.3%-0.4%，远优于普通 GP。(c) 极端环境处理后的红外发射率：衰减仅 0.01-0.02，稳定性优异。(d) 极端环境处理后的对流换热系数：衰减 < 1.3%，散热性能保持稳定。(e) 拟人机器人实物图：其关节搭载无框扭矩电机，需高效散热。(f) 电机红外热成像图：普通 GP 覆盖的电机表面温度 87.0℃，3MI-GP 覆盖的电机温度 70.9℃，降温效果显著。(g) 电机温度 – 时间曲线：无散热材料时电机温度达 99.4℃，3MI-GP 使其降温 28.5℃，普通 GP 仅降温 12.4℃。