为了提升环氧树脂复合材料的热管理能力，受年轮蛋糕结构的启发，上海大学等研究团队提出了一种简单、可规模化且环境友好的制备工艺。该工艺将未经任何化学修饰的石墨烯条带（GS）集成到组装好的石墨烯纸中，并通过滚动切割法制备了具有年轮状结构的垂直排列石墨烯条带/环氧树脂（VGS/EP）复合材料。取向的石墨烯作为直接的导热路径，能够有效地沿该路径传递热量，从而提高复合材料的导热性能。
该复合材料表现出极高的面外热导率（TPTC），达到49.2 W/m·K，是纯环氧树脂的289倍。此外，该复合材料还具有一系列理想特性，包括良好的电磁干扰屏蔽性能、高效的焦耳加热性能以及优异的机械性能。这些特性进一步拓展了石墨烯基热界面材料在电子器件热管理领域的应用。
图1：VGS/EP复合材料制造工艺流程示意图。
图2：(a) 不同压力下各种复合材料的热阻。(b) 纯环氧树脂(EP)与石墨烯基复合材料的热导率比较。(c) GP/EP、(d) RGS/EP和(e) VGP/EP复合材料的横截面扫描电镜(SEM)形貌。(f) 通过有限元模拟得到的复合材料热流分布。(g) 通过有限元模拟得到的VGS/EP复合材料的温度分布。(h) 纯环氧树脂(EP)和石墨烯基复合材料的热膨胀系数。
图3：(a) VGS/EP复合材料的热导率及其导热增强系数(TCE)。(b) VGS/EP复合材料的照片和示意图。(c)~(e) 相应的扫描电镜(SEM)图像，展示了VGS/EP复合材料的微观结构。(f) VGS/PE复合材料与其他已报道复合材料的热导率比较。(g) 不同GS含量下VGS/EP复合材料在不同压力下的热阻。(h) 不同GS含量下VGS/EP复合材料的表面粗糙度。(i) 不同GS含量下VGS/EP复合材料的热膨胀系数(CTE)。
图4：(a) 使用热成像相机拍摄的 LED 模块红外热图像。(b) 分别在不使用导热界面材料 (TIM)、使用商用硅胶垫和使用 VGS/EP 复合材料的情况下，LED 模块在加热阶段和随后的自然冷却阶段的温度曲线。(c) VGS/EP 复合材料表面温度随时间变化的曲线，对应不同的输入电压。(d) 实验温度数据以及温度与 U² 关系的线性分析。
图5：(a) 不同GS含量VGS/EP复合材料的压缩应力-应变曲线。(b) 纯EP和不同GS含量VGS/EP复合材料的弯曲应力-应变曲线。(c) 纯EP和不同GS含量VGS/EP复合材料的弯曲韧性。(d) GS含量为40 wt.%时VGS/EP复合材料的电磁干扰(EMI)屏蔽效能。(e) VGS/EP复合材料的EMI屏蔽机理示意图。
该研究以题为“Graphene-based thermal interface materials with high through-plane thermal conductivity inspired by Baumkuchen”发表在《Applied Physics Letters》
https://doi.org/10.1063/5.0310419
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