让石墨烯“立正”，为器件散热提供“快车道”

手机芯片越做越快，电动车电池越做越大，但一个老问题始终绕不开——发热。热量散不出去，性能就要打折，甚至引发安全问题。这时候，夹在芯片和散热器之间的热界面材料就派上了用场。它就像一座“桥梁”，负责把热量从热源快速导向散热器。

石墨烯是公认的导热“尖子生”——面内热导率高达约5000 W/mK，是铜的十几倍。但一用到热界面材料里，它的短板就暴露了：热量需要沿着厚度方向“垂直穿过”，而石墨烯层与层之间只靠微弱的范德华力连接，厚度方向导热能力大打折扣。

浙江大学高分子系高超教授团队发展了一种多流浇铸技术：通过特制的渐扩流道，让氧化石墨烯浆料同时承受水平与垂直剪切流，使片层在凝胶阶段就“竖立”起来，形成抛物线状垂直排列。干燥后，片层虽被压缩折叠，但材料保留了“垂直记忆”——室温发泡即可让片层重新“立正”，再经2800°C石墨化，最终获得高度垂直取向的石墨烯网络。将其浸入聚二甲基硅氧烷（PDMS）后，实测厚度方向热导率达108.2 W/mK，50 psi下总热阻仅0.18 K cm²/W。在实际电池热管理测试中，12W高功率放电下可使电池表面温度降低20.1°C，优于商业热界面材料（TIMs）。

01 石墨烯的“偏科”困境

石墨烯面内导热极强，但厚度方向却很差。就像一摞纸，沿着纸面扇风很顺畅，但要垂直穿透这摞纸，每一层的缝隙都在“拖后腿”。

热界面材料恰恰需要的是“穿透力”。如果石墨烯片全部平躺，热量只能在层间“绕路”，效率大打折扣。能否让片层竖起来，形成垂直导热的“高速公路”，成了关键。

02 多流浇铸：让片层“立正”

浙大团队设计了一个特殊的多流道挤出模具。氧化石墨烯浆料通过渐扩流道时，同时受到水平剪切流和垂直剪切流的“双管齐下”作用，原本平躺的片层被“掀”了起来，形成抛物线状的垂直排列。这就是该研究的核心技术——多流浇铸。

从挤出设备示意到凝胶膜的实物照片，再到扫描电镜下的微观结构，可以看到氧化石墨烯片层齐刷刷地竖立在薄膜中。

03 一发泡，片层又“立”起来了

有意思的是，直接干燥后，垂直排列的片层会被压缩折叠，看起来又“躺平”了。但团队发现，这些薄膜保留了“垂直记忆”——就像压扁的弹簧，一遇合适条件就能重新弹起。

他们用肼蒸气进行室温发泡。气泡在层间成核、生长，把折叠的片层重新撑开，薄膜的体积迅速膨胀。与普通氧化石墨烯薄膜不同，经过多流浇铸的薄膜在发泡时主要沿长度方向扩展，把片层“抹”成了垂直排列。定量来看，垂直取向参数F从初始的0.5提升到了0.83。

04 2800°C石墨化：给声子“清障”

光有垂直排列还不够，声子传输还需要“路况良好”。团队将发泡后的垂直网络在2800°C下石墨化，让缺陷大幅减少。拉曼光谱中D峰几乎消失，I_D/I_G低至0.007，说明晶格高度有序，碎石路升级成了高速公路。

随后，将垂直石墨烯网络浸入PDMS聚合物中，便制成了热界面材料。随着石墨烯含量从3.5 wt%提升到35.0 wt%，厚度方向热导率一路攀升至108.2 W/mK。在50 psi典型安装压力下，总热阻仅0.18 K cm²/W，优于大多数已报道的石墨烯热界面材料。

更难得的是，材料经100次压缩循环后仍保持89.2%的原始厚度；7000秒应力松弛后仍保留39.9 psi应力——说明它既“抗压”又“耐疲劳”，能长期稳固地贴合在芯片与散热器之间。

05 让电池从“发烧”到“退烧”

团队搭建了一套模拟测试装置，把垂直石墨烯热界面材料（VG-TIMs）贴在电池表面。

6W充电功率下，使用VG-TIMs的电池上表面温度下降了8.2°C，而商业TIMs仅降低1.1°C。在更极端的12W放电工况下，不加TIMs时电池上表面温度飙至54.9°C；贴上VG-TIMs后降为34.8°C，温差达20.1°C，比商业TIMs多降温7.7°C。

红外热像图直观显示：VG-TIMs让热点迅速消失，热量被高效传导并均匀扩散。这意味着它不仅能延长电池寿命，还能显著降低热失控风险。

该工作用多流浇铸技术解决了石墨烯垂直取向难以连续化制造的难题。相比冰模板、叠层切割、剪切取向等方法，多流浇铸工艺简单、可控性强，且具备规模化生产的潜力。该方法还有望推广到氮化硼等其他二维材料体系，为高功率电子器件和动力电池的安全散热提供更优解。

原文链接：

Haodong Yang, Min Cao, Songhan Shi, Jiahao Lu, Gangfeng Cai, Zihao Deng, Yicong Qin, Chendong Ge, Peng Li, Kai Pang, Zhen Xu, Yingjun Liu, Chao Gao, Highly through-plane thermally conductive graphene materials via multi-flow casting, Carbon, 260, 121901 (2026)

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121901

通讯作者信息

高超，浙江大学求是特聘教授，博士生导师，浙江大学高分子科学研究所所长。2016年12月至今，担任浙江省科协第十届委员会委员、常委；2017年4月至今，担任浙江大学学术委员会委员；同时，入选科技部“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”、“浙江省151人才工程第一层次培养人员”。承担国家基金委重大、重点、杰青项目等科研项目十多项。2D Materials、Advanced Fiber Materials、 Carbon Energy、Nano-Micro Lett.、《中国科学：化学》、《功能高分子学报》等期刊编委。曾获“2021年度浙江省自然科学奖一等奖”、首届“钱宝钧纤维材料 青年学者奖”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”等荣誉。