北林大：人体神经系统启发的3D石墨烯“轨道”，具有金属级导热性

成果简介

鉴于现代电子产品的快速发展，迫切需要具有优良散热能力的聚合物复合材料来解决这些设备的冷却问题。然而，设计一种高导热聚合物复合材料，使其性能优于金属和陶瓷，同时表现出高加工性和低成本，仍然是一个挑战。本文，北京林业大学Jingchao Li、高强 教授、北京化工大学卢咏来 研究员等在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Nerve-Fiber-Inspired Construction of 3D Graphene “Tracks” Supported by Wood Fibers for Multifunctional Biocomposite with Metal-Level Thermal Conductivity”的论文，研究受人类神经系统纤维通路的启发，以天然木纤维（WFs）为模板，并通过一种简单的静电自组装方法涂上石墨烯纳米片（GNPs）。

随后的热压过程产生了 "芯鞘 "微结构纤维，其中GNPs面对面紧密接触并沿纤维状WF "芯 "的表面排列。这种WF@G生物复合材料由高效的三维纤维 "轨道 "组成，用于热传导，从而产生了134W (m K)-1的极高热传导率，这与许多金属的热传导率相当。它还表现出其他一些理想的性能和功能，包括高机械强度和优良的阻燃性能，以及显著的电磁屏蔽和焦耳加热性能，这对作为功能性热管理材料（TMM）具有重大潜力。因此，本研究描述了一种简单而可扩展的制造技术，用于开发先进的金属级生物质基TMM。

图文导读

图1、a) WF@G生物复合材料的制造示意图。b) WFs和WF@GNP粉末的照片和相应的SEM图像。c) WF@G生物复合材料内部和表面的不同放大倍数的SEM显微照片。d) 使用定制模具制造的不同形状的WF@G生物复合材料样品的照片

图2、a)GNPs在水、SDS水溶液和PAE水溶液中的分散体，在放置48小时之前和之后，以及相应的光学显微镜图像；b)PAE和GNPs之间相互作用的示意图；c)PAE修饰的GNPs的SEM图像和同一区域的C、O和N的相应EDS元素图；d)GNPs和WFs的侧向尺寸分布；e)GNPs、GNP/PAE和WFs在水中的Zeta电位。f) 纯WFs和g) WF@GNP的SEM显微照片。

图3、WF@G生物复合材料的力学性能

图4、热导率和热管理性能

图5、使用薄膜和块WF@G61用于热管理的样品

图6.电磁屏蔽与焦耳热性能

小结

综上所述，受人类神经系统纤维通路的启发，使用简单的两步组装方法（包括静电自组装和热压致密化）在生物复合材料中设计了WF支持的3D纤维石墨烯“轨道”WF@G。基于这项研究，未来的工作应集中于纤维“芯”特性（包括形态（尺寸、扁平和带状结构、表面粗糙度等）和表面官能团）对3D纤维“轨道”结构和填料接触状态优化的影响，以实现超高TC。

文献：

https://doi.org/10.1002/adfm.202213274