近期，中國科學院合肥物質院固體所王振洋研究團隊根據“3D打印結構設計-激光界面工程-跨尺度性能調控”的設計思路，開發出具有高各向異性導熱比、高光熱/電熱轉換效率同時兼具良好疏水性與機械性能的石墨烯/聚合物復合材料雙層結構。相關研究成果發表在Carbon和Chemical Engineering Journal上。

石墨烯是一種由sp2雜化碳原子構成的二維材料，其獨特的電子結構不僅使碳原子排列成蜂窩狀，還賦予了石墨烯優異的熱導性和電導性。同時石墨烯還展現出顯著的熱導率各向異性。在面內（IP）方向，石墨烯晶格中的強共價鍵促進了聲子在碳原子間高效傳遞。由于碳原子間強相互作用，聲子傳輸近乎無阻，從而使面內熱導率達1000～3000 W/(m·K)。但在通平面（TP）方向，相鄰層間微弱的范德華力引發顯著的聲子散射，導致跨層傳熱效率急劇下降，使其面外熱導率僅約5 W/(m·K)。此外石墨烯在太陽光譜寬域范圍內呈現的強吸收特性使其成為一種典型的光熱材料。

為了充分利用石墨烯片的各向異性導熱性能，研究團隊首先通過雙噴嘴熔融沉積成型（FDM）3D打印技術實現了石墨烯的定向排列并設計了石墨烯增強熱塑性聚氨酯（G-TPU）與純熱塑性聚氨酯（N-TPU）構成的雙層結構，評估了G-TPU/N-TPU雙層結構的定向導熱及儲熱效果。研究發現，較大尺寸的石墨烯因其形成的連續導熱路徑而增強了面內導熱性能。上層G-TPU復合材料IP方向上導熱率為4.54 W/(m·K)，約為TP方向熱導率的6倍，且N-TPU底層進一步提升了該性能，使得G-TPU/N-TPU雙層結構呈現出約8的各向異性導熱比。

為了進一步提升復合材料各向異性導熱性能，團隊采用激光誘導處理了3D打印的石墨烯增強熱塑性聚氨酯（G-TPU/N-TPU）雙層結構。研究發現，激光處理保留了復合物中的石墨烯片的取向和雙層結構的完整性，同時暴露與重構了石墨烯網絡，形成了TPU碳化層并調控其缺陷態，顯著提升了各向異性導電性（R_TP/R_IP從1.45×10⁶增至2.47×10⁷）和各向異性導熱比（TC_IP/TC_TP增至9.1）。激光處理分解聚合物基體后，在復合材料表面形成的微尺度結構與粗糙表面提高了材料表面疏水性（接觸角從88°增至約120°），使入射光發生多次反射以延長光程，顯著增強了光熱轉換效率。

該工作結合有限元分析和分子動力學模擬，分析并優化了熔融沉積成型打印模型與激光處理分解聚合物過程，有望為飛行器機翼表面和建筑物外墻天線光伏板的除冰防冰等應用提供全新的解決方案。

上述工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622325000399?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725032255

圖1.FDM 3D打印的G-TPU/N-TPU雙層結構及其各向異性導熱比。

圖2.激光誘導處理后LI-G-TPU/N-TPU雙層結構的性能提升。