三维石墨烯块体导热新纪录：热扩散能力提升53倍，厚度突破12毫米

1背景介绍

高功率电子、航空航天与先进制冷装备对三维大块高导热材料需求激增，但石墨烯材料存在致命瓶颈：导热性能随厚度增加急剧衰减，现有石墨烯薄膜厚度通常小于 1 mm，热扩散能力仅 0.1–0.7 W/K，无法满足高热流密度场景下的高效散热需求。传统湿法辊压工艺存在 “表皮效应”，厚度增加会导致内部取向混乱、孔隙剧增；干法直接压制成型则缺陷密度高、晶界过多，两者均无法制备厘米级厚度、仍保持超高导热的三维石墨烯块体，严重制约石墨烯在大功率热管理、航空航天热沉、低温制冷等领域的工程应用。

2研究成果

近日，上海交通大学胡海涛教授团队提出多尺度共混 + 多级压力诱导（MBP） 创新策略，首次实现可厚化、三维高导热石墨烯块体（GPB） 的宏量制备。该团队通过大尺寸 / 小尺寸石墨烯片多尺度复配填充空隙，结合重力取向与多级预压致密化，彻底破解 “增厚即导热暴跌” 的行业难题。

核心性能优势显著：厚度突破方面，最大厚度达12.1 mm，是现有石墨烯高导热材料的 10 倍以上；导热性能方面，面内热导率最高829.5 W/(m·K)，12.1 mm 厚块体仍保持521.2 W/(m·K)，垂直热导率稳定13.2 W/(m·K)；热扩散能力方面，最高达6.3 W/K，是传统石墨烯材料的 8–53 倍；稳定性方面，-25~150℃热冲击 300 次性能无衰减，兼具优异结构稳定性与力学强度。该团队首次发现宏观石墨烯面内热导率与片径对数成正比的全新规律，为高热流热管理提供颠覆性材料方案，相关研究成果以 “Three‐Dimensional Highly Thermally Conductive Graphene Blocks by Multiscale Blending and Multistage Pressure Induction” 为题，发表于《Carbon Energy》。

3图文速览

图1. 高导热石墨烯材料制备流程.(a) 传统湿法辊压制备石墨烯薄膜流程示意图；(b) 多尺度共混 + 多级压力诱导（MBP）制备三维石墨烯块体流程示意图；(c) 石墨烯块体面内结构示意图；(d) 石墨烯块体垂直面结构示意图。

图2. 理化结构分析.(a) 热处理前后石墨烯粉体无机元素分析；(b) 热处理前后石墨烯拉曼光谱对比；(c) 热处理前后石墨烯 XRD 图谱对比；(d) 不同尺寸石墨烯成型前后宏观与微观形貌；(e) 不同石墨烯制备块体的微观表面形貌；(f) 不同石墨烯制备块体的宏观形貌与 CT 截面图；(g) 不同厚度石墨烯块体宏观形貌与微观截面；(h) 0.2 mm 与 12.1 mm 厚石墨烯块体小角 X 射线散射（SAXS）分析。

图3. 热性能表征。(a) 不同尺寸石墨烯制备块体的双向热导率；(b) 石墨烯片径与块体面内热导率关系；(c) 不同小尺寸石墨烯复配制备块体的双向热导率；(d) 不同小尺寸石墨烯复配的粒径分布；(e) 不同厚度石墨烯块体的双向热导率；(f) 不同厚度石墨烯块体的最大热流密度；(g) 不同温度下石墨烯块体的双向热导率；(h) 石墨烯块体热循环稳定性；(i) 石墨烯块体不同方向抗压性能。

图4. 热传导性能实验。(a) 面内传热速率对比红外热成像图；(b) 垂直面传热速率对比红外热成像图；(c) 自然对流下 GPB-MBP 与多层粘接 GPB 温度响应；(d) 强制对流下 GPB-MBP 与多层粘接 GPB 温度响应；(e) 高热流场景下 GPB-MBP 与铜块温度响应对比；(f) GPB-MBP 与文献石墨烯薄膜面内热导率对比；(g) GPB-MBP 与文献石墨烯薄膜垂直热导率对比；(h) GPB-MBP 与文献石墨烯材料热扩散能力对比。

来源：热管理实验室 ThermalLink