16倍导热率提升！焦耳热10秒合成SiC/石墨烯，赋能高功率电子散热

2026年02月24日，天津城建大学贾国治、南开大学刘玉萍等在《Carbon》期刊发表题为“In-Situ Joule Heating Fabricating SiC/Graphene Composites: Interfacial Coupling and Synergistic Heat Transfer Boosting Superior Thermal Management”的研究论文。该研究开发了一种基于焦耳热瞬态合成技术制备SiC/石墨烯（GNS）复合材料的新方法，以工业硅粉和石墨为原料，在10秒内成功合成高结晶度3C-SiC/GNS复合材料。通过KH550表面功能化改性，在填料与环氧树脂基体间构建了共价键连接的低热阻界面，显著改善了界面相容性并降低了声子散射。所制备的SiC/GNS@KH550/EP复合材料在30wt%填料含量下热导率达2.85 W·m⁻¹·K⁻¹，为纯环氧树脂的16倍；同时表现出优异的光热转换性能（10wt%样品平衡温度达107.4°C）和良好的循环稳定性。该研究为工业废硅粉的高值化利用提供了新途径，所开发的复合材料在高功率电子封装、光热转换器件等领域具有广阔应用前景。

【研究背景】

1. 高功率电子器件热管理需求迫切：随着电子设备向高集成度、高功率密度发展，热积累问题成为制约其性能与寿命的关键瓶颈。

2.环氧树脂导热性能严重不足：环氧树脂因其优良的加工性和绝缘性被广泛用于封装，但其本征热导率仅约0.17 W·m⁻¹·K⁻¹，难以满足高效散热需求。

3.单一填料构建导热网络存在局限：零维填料（如纳米SiC）分散性好但难以形成连续导热路径；二维填料（如石墨烯）导热率高但易团聚且界面相容性差。

4.SiC合成方法亟待绿色高效改进：传统SiC制备方法能耗高、周期长，且与有机基体相容性差，限制了其在聚合物复合材料中的应用。

【研究方法】

1. 焦耳热辅助合成SiC/GNS复合材料

将工业硅粉与石墨按1:1混合球磨后，置于碳纸与石墨毡之间，施加230 A脉冲电流进行焦耳加热10秒，通过瞬态高温（>1500°C）诱导固相反应，快速合成高结晶度3C-SiC/GNS复合材料。

图1：焦耳热辅助合成SiC/GNS示意图

2.KH550表面功能化改性

首先用硝酸对SiC/GNS进行羟基化处理，然后将KH550水解后与羟基化SiC/GNS在80°C下反应6小时，通过脱水缩合形成稳定的Si-O-Si共价键，在填料表面引入氨基官能团。

3.环氧树脂复合材料制备

将改性后的SiC/GNS@KH550分散于无水乙醇中，与环氧树脂混合搅拌，加入固化剂后真空脱泡，倒入PTFE模具中室温固化36小时，得到不同填料含量的复合材料。

4.材料表征与性能测试

采用XRD、Raman、FTIR、XPS分析材料结构与表面化学状态；SEM/TEM观察微观形貌；稳态热流法测试热导率；808 nm激光照射结合红外热成像评估光热转换性能；TGA分析热稳定性；万能试验机测试力学性能。

【研究结果】

1. SiC/GNS复合材料成功合成

XRD和Raman分析证实产物为高结晶度3C-SiC与少层石墨烯（ID/IG=0.32，层数约5层），XPS显示C-Si和Si-C键为主要成键方式，TEM观察到石墨烯包裹SiC颗粒的核壳结构

图2：SiC/GNS的结构表征

2. KH550成功接枝于SiC/GNS表面

FTIR和XPS分析显示，改性后样品出现-CH₂/-CH₃特征峰及N1s信号，Si2p谱中出现Si-O-Si键（102.4 eV），证明KH550通过共价键成功接枝于SiC/GNS表面。

图3：KH550表面功能化改性及表征

3.复合材料导热性能显著提升

30wt% SiC/GNS@KH550/EP复合材料热导率达2.85 W·m⁻¹·K⁻¹，为纯环氧树脂（0.17 W·m⁻¹·K⁻¹）的16倍；红外热成像显示其表面升温速率和平衡温度均优于纯EP。

图4：SiC/GNS@KH550/EP复合材料的散热性能与热稳定性

4.光热转换性能优异且稳定

10wt%复合材料在808 nm激光照射下平衡温度达107.4°C，光热转换效率与输入功率呈线性相关（R²=0.9988），经8次循环后性能无明显衰减。

图5：SiC/GNS@KH550/EP复合材料的光热转换性能

【展望】

1.焦耳热合成技术具备产业化潜力

该方法可在10秒内完成SiC/GNS复合材料的合成，能耗低、效率高，适用于工业废硅粉的高值化利用。

2.界面工程是实现性能提升的关键

通过KH550共价修饰构建低热阻界面，显著降低声子散射，为高性能导热复合材料的设计提供新思路。

3.该策略可拓展至多功能复合材料体系

未来可探索SiC与其他二维材料（如BN、CNT）复合，实现导热、电绝缘、电磁屏蔽等多功能集成。

4.在高端热管理领域具有广阔应用前景

该复合材料在高功率电子封装、光热转换器件、航空航天热控系统等领域具备良好的应用潜力。

来源：焦耳热超快合成