《Carbon Energy》：Three-Dimensional Highly Thermally Conductive Graphene Blocks by Multiscale Blending and Multistage Pressure Induction
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本文针对石墨烯材料厚度增加导致导热性急剧下降的瓶颈问题，提出了一种通过多尺度混合与多级压力诱导（MBP）合成可扩展厚度、高导热石墨烯块体（GPB）的新策略。该策略显著降低了材料厚度增加对平面内导热系数（k||）的衰减影响（降幅超过94%），首次在厘米尺度（12.1 mm）石墨烯材料中实现了高达6.3 W/K的优异热扩散能力，为高功率密度电子设备的热管理提供了创新性解决方案。
在当今电子设备追求高性能、小型化的浪潮下，热量管理已成为制约其发展的关键瓶颈。想象一下，你的手机或笔记本电脑在运行大型程序时发烫，这不仅影响使用体验，更会损害芯片寿命。传统的金属散热材料，如铜和铝，虽然导热性不错，但重量大、可塑性有限。石墨烯，这种由单层碳原子构成的“神奇材料”，拥有5300 ± 480 W/m·K的惊人理论导热率，被誉为“散热界的未来之星”。然而，一个致命的缺陷阻碍了它的广泛应用：当科学家们试图将石墨烯纳米片堆叠成有实用厚度的宏观材料时，其导热性能会随着厚度增加而急剧衰减。现有的石墨烯薄膜材料为了维持高热导率，厚度通常被限制在700微米以下，导致其热扩散能力（决定实际散热效率的关键指标）仅徘徊在0.1-0.7 W/K，远不能满足航空航天、卫星通信等领域对轻量化、高效散热结构的严苛要求。这就像一个绝世高手，却无法将自己的力量传递到远处，令人扼腕。
为了打破这一僵局，一项发表在《Carbon Energy》上的研究带来了突破。研究人员不再执着于制造超薄薄膜，而是另辟蹊径，目标直指构建三维的、厘米级厚度的石墨烯块体（Graphene block, GPB）。他们提出了一种创新的合成策略：多尺度混合与多级压力诱导法。其核心思路是通过混合不同尺寸的石墨烯纳米片（GNPs）来优化内部结构，并采用分步施压的方式，在增厚的同时维持材料内部的高度有序排列，从而最大限度地保留石墨烯本征的卓越导热能力。
研究人员运用了几项关键技术来验证其策略。首先，他们对商业石墨烯纳米片进行了低温热处理和筛分预处理，以去除杂质并筛选出特定尺寸的颗粒。核心的合成过程包括：将不同尺寸的大尺寸（LG-GNPs）和小尺寸（SM-GNPs）石墨烯纳米片按比例进行“多尺度混合”；混合后的粉末在重力作用下自然沉降，实现初步取向；随后进行“多级预压”，即每堆积一定厚度就施加一次中等压力（5 MPa）进行初步定型；最后，对所有预压层进行一次性的高强度“静态冷压”（800 MPa），最终形成致密的三维石墨烯块体。在表征方面，研究综合运用了X射线光电子能谱、拉曼光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、计算机断层扫描等技术分析了材料的物理化学结构；并通过激光闪光法、红外热成像等手段系统评估了其面内和面间热导率、热扩散能力、循环稳定性和机械性能。
2.1 可扩展厚度GPB的合成策略
研究通过对比传统的湿法辊压工艺与新颖的多尺度混合/多级压力诱导法，阐明了新策略的优势。传统方法在浆料干燥时存在“表皮效应”，导致材料内部有序度随厚度增加而迅速恶化，难以突破微米级厚度。而新方法通过混合不同尺寸的GNPs，让小尺寸片填充大尺寸片之间的空隙，有效降低了孔隙率，增强了块体致密性。同时，基于重力取向的分步预压过程，保证了即使在厚度大幅增加时，各层间的取向、孔隙率和缺陷分布也基本一致，从而显著削弱了厚度增加对热导率的负面影响。
2.2 可扩展厚度GPB的物理化学结构分析
结构表征证实了新方法的有效性。热处理和筛分去除了大部分杂质，提高了GNPs的有序度。扫描电镜和CT图像显示，纯大尺寸GNPs压制的块体会出现明显的层间分离，而混合了SM-GNPs的块体则呈现金属光泽，内部孔洞显著减少，致密性更好。即使厚度增加到12.1毫米，通过小角X射线散射分析发现，其回转半径和结构均匀性参数与0.2毫米厚的样品非常接近，说明块体内部具有低缺陷、高致密和整体均匀的特性，厚度变化对其影响甚微。
2.3 可扩展厚度GPB的热性能
热性能测试揭示了关键规律。研究发现，GPB的面内热导率（k||）与大尺寸GNPs的平均长度（L）呈正相关，并首次在宏观石墨烯材料中发现了k||与L的对数成正比例关系。通过嵌入适当尺寸（如25微米）的小尺寸GNPs，可以在填充孔隙和增加缺陷边界之间取得最佳平衡，使k||最高提升47.8%，达到829.5 W/(m·K)。更重要的是，当GPB厚度从0.2毫米增加到12.1毫米时，k||的衰减率比现有石墨烯材料降低了94%以上，而面间热导率（k⊥）则稳定在13.1-13.8 W/m·K，未随厚度增加而下降。这使得12.1毫米厚的GPB热扩散能力高达6.3 W/K，是现有石墨烯材料的8-53倍。此外，GPB在-25°C至150°C的热冲击循环中表现出良好的稳定性。
2.4 GPB的导热性能实验
实际散热实验直观展示了GPB-MBP的优越性。红外热成像对比显示，在相同条件下，1厘米厚的GPB-MBP比多层粘接的GPB-MAA以及铝、铜等金属具有更快的面内和面间热响应速率。在自然对流和强制对流散热测试中，GPB-MBP能达到更低的平衡温度，冷却速率也更快。在极端高热流场景下，与铜块相比，使用GPB-MBP时温度上升到250°C的时间延迟了58.3%，且在加热-冷却转换过程中的热惯性几乎不可察觉，证明了其卓越的三维导热和热扩散能力。
3 结论
本研究的核心结论在于成功开发了多尺度混合与多级压力诱导法，用于合成具有高导热性的可扩展厚度石墨烯块体。该方法革命性地将高热导率石墨烯材料的厚度从微米级推进到厘米级，最大厚度达12.1毫米。所制备的材料具有以下突出优势：其面内热导率的衰减趋势比传统湿法材料降低了94%以上；在厘米尺度下仍能保持优异的热扩散能力（最高6.3 W/K）；同时首次在宏观石墨烯材料中揭示了面内热导率与GNPs长度对数之间的比例关系。这项工作不仅为制备超厚、高导热石墨烯材料提供了全新的、有效的策略，也为解决高功率密度电子设备、航空航天等极端环境下的热管理挑战开辟了新的可能性，标志着石墨烯在热管理应用领域向前迈出了关键一步。
