四川大学王延青《Nanoscale》：石墨烯增强含能材料热导率-机理与优化策略

研究背景

随着电子器件集成化、大功率化发展，以及含能材料等特殊领域对热管理的严苛要求，聚合物基复合材料的导热性能成为制约其应用的关键瓶颈。聚合物材料因分子链无序缠绕、声子散射剧烈，固有导热系数仅 0.1-0.3 W m⁻¹ K⁻¹，远不能满足电子封装、能量存储等场景的需求。

传统提高聚合物导热性的方式多依赖高填充量的金属或陶瓷填料，但过高填料会导致材料力学性能下降、密度增加。而石墨烯作为二维碳材料，固有导热系数高达 3000-5300 W m⁻¹ K⁻¹，且兼具轻量化、高强度优势，成为聚合物复合材料的理想导热填料。然而，石墨烯在聚合物基体中易团聚、界面热阻大、声子传输受阻等问题，严重限制了其导热潜力的发挥。如何通过科学调控材料结构与制备工艺，破解这些难题，成为石墨烯基导热复合材料走向实用化的核心挑战。

成果简介

针对上述问题，四川大学王延青特聘研究员课题组在国际期刊Nanoscale发表题为“Thermal Conductivity of Graphene-Reinforced Energetic Materials: Mechanisms and Optimization Strategies”综述论文，系统梳理了石墨烯增强聚合物复合材料导热性能的关键影响因素、核心机制与优化策略。

该综述以声子传输机制为核心，深入剖析了晶格振动与声子散射（声子-声子 、声子-缺陷、声子-界面散射）对导热性能的主导作用。系统总结了石墨烯本征特性（尺寸、层数、缺陷）、分散与分布状态、复合材料制备工艺（填料含量、3D网络构建、取向排列、填料协同）等关键参数的影响规律，并归纳了共价/非共价改性等界面优化方法。结合分子动力学模拟等计算模型，构建了“机制-因素-策略”三位一体的导热性能调控体系。该综述为高效石墨烯基导热复合材料的设计与制备提供了全面的理论指导，对推动其在电子器件、含能材料等领域的应用具有重要意义。

文章内容摘要：影响石墨烯基填料声子输运的因素及改性方法

本文要点

要点一：导热核心机制——声子传输与散射规律

图 1. (a) 三种声子散射模式示意图；(b) 声子-声子碰撞 N 过程；(c) 声子-声子碰撞 U 过程；(d) 热源声子能量传递示意图。

聚合物复合材料的导热主要依赖声子传输，而声子散射是制约导热效率的关键因素。综述明确了三类核心散射机制：声子-声子散射通过碰撞改变能量传递方向，温度升高时散射加剧；声子-缺陷散射由材料中的空位、杂质等缺陷引发，会缩短声子平均自由程；声子-界面散射则源于基体与填料间的声学失配，是界面热阻的主要来源。

石墨烯的高导热本质是其二维晶格结构减少了声子散射，而复合材料中声子传输效率取决于石墨烯与基体的界面相容性、结构有序性等因素，为后续优化策略提供了理论根基。

要点二：石墨烯本征特性与分散状态的调控

图 2. (a) 少层石墨烯层数与导热系数关系；(b) 不同构型石墨烯层数对导热系数的影响。

图3. 缺陷类型与含量对石墨烯导热性的影响。

石墨烯自身特性与分散质量直接决定复合材料导热潜力：大尺寸、少层数、低缺陷的石墨烯能减少内部声子散射，其横向尺寸越大，形成导热通路所需的填充量越低；而缺陷（如空位、掺杂）会显著降低声子传输效率，1% 的氮掺杂即可使石墨烯导热系数下降 50%。

分散方面，通过共价改性（接枝有机基团、聚合物链）或非共价改性（氢键、π-π相互作用、多巴胺包覆），可改善石墨烯与聚合物基体的相容性，减少团聚，降低界面热阻。例如，丁基基团改性石墨烯能使界面热阻降低 56.5%，显著提升声子跨界面传输效率。

要点三：复合材料制备工艺的优化策略

图4. 填料含量与复合材料导热系数的关系。

图5. 3D石墨烯网络构建示意图。

图6.石墨烯/碳纳米管协同增强导热示意图。

制备工艺是实现高导热的关键，综述总结了四大核心优化路径：

• 填料含量控制：当填料含量达到渗透阈值时，石墨烯相互接触形成导热网络，导热系数会急剧提升，但过高填充会导致力学性能恶化，需平衡填充量与综合性能；
• 3D网络构建：通过模板法、自组装等方式预先构建石墨烯3D网络，再浸润聚合物基体，可在低填充量下实现高效导热，某复合材料在 6.2 vol% 填充量下导热系数提升 8100%；
• 取向排列调控：利用磁场、拉伸等手段使石墨烯垂直或定向排列，能最大化其面内高导热优势，缩短导热路径；
• 填料协同增强：将石墨烯与碳纳米管、MXene等填料复合，形成多维导热网络，可协同降低界面热阻，提升导热效率。

要点四：导热性能的计算模拟与预测模型

图7. (a) 不同维度下的几种典型模拟模型；(b) 改编自Halpin-Tsai (HT)模型的三相Lewis-Nielsen (LN)模型，用于模拟一维碳纳米管（CNT）填料负载对热导率的影响；(c) 用于计算石墨烯填充复合材料热导率的经典Nan模型；(d) 结合两个串联的Kelvin单元的Maxwell模型，用于计算由石墨烯和CNT形成的三维通道对塑料粘结炸药（PBX）晶体蠕变的影响；(e) 不同模型拟合与实验数据在功能化石墨烯填料负载对热导率影响方面的比较。

计算模拟为复合材料设计提供了高效工具，综述梳理了Maxwell-Garnett 模型、Halpin-Tsai模型、Nielsen-lewis 模型等经典预测方法。这些模型可根据填料形状、含量、分散状态等参数，预测复合材料的导热系数，指导实验工艺优化。

分子动力学模拟则能从原子尺度揭示声子传输规律，例如通过模拟石墨烯与基体的界面作用，可筛选最优改性方案，减少实验盲目性。

要点五：应用场景与未来展望

该类复合材料已在电子器件散热、含能材料热稳定性提升等领域展现出巨大潜力。例如，在聚合物粘结炸药（PBXs）中添加石墨烯基填料，可降低热应力，提升使用安全性；在电子封装中，其轻量化、高导热特性能替代传统金属散热材料。

未来研究需聚焦绿色规模化制备、界面工程优化、多功能集成（如兼具导热与电磁屏蔽、力学增强）等方向，推动石墨烯基导热复合材料从实验室走向实际应用。

文章链接：

Thermal Conductivity of Graphene-Reinforced Energetic Materials: Mechanisms and Optimization Strategies

链接：https://doi.org/10.1039/D5NR05318H