石墨烯高导热机理及其强化传热研究进展

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石墨烯热学性能

3 石墨烯热导率的理论预测与数值模拟
Berber 等 (2000) 将平衡和非平衡分子动力学 (molecular dynamics, MD) 方法与精
确的碳原子势能相结合, 通过数值模拟发现单层石墨烯的热导率在 200∼400 K 之间随温度升高而降低, 如图 2 所示. 在室温下单层石墨烯、单根碳纳米管最高的热导率为
Wei 等 (2011) 采用非平衡分子动力学模拟方法, 研究了多层石墨烯穿层热导率.
发现多层石墨烯的界面热阻强烈依赖于层数. 界面接触热阻随层数的增加而降低 (如图 4(a) ), 而穿面热导率随层数的增加而增加 (如图 4(b) ). 在室温以上, 由于温度升高降低了声子波长, 导致产生声子隧道效应的概率降低, 从而引起界面热阻增大.
a 6 ᥹㾺⛁䰏/（10-9 m2K.W-1) 5 4 3 2 1 0 0 10 20 ሖ᭄ 30 40 50 300 Kᯊ⛁䰏 ߚᄤࡼ࡯ᄺ῵ᢳⱘᴀ᭛㒧ᵰ ⷇๼⛃੠SiO2[10] ऩ㞖੠໮㞖⺇㒇㉇ㅵ[22] ⷇๼Ј䖥ሖ[5]
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3.0 2.5 ⛁ᇐ⥛/(W.m-1.K-1) 2.0 1.5 1.0 0.5
Τ103 ⺇㒇㉇ㅵ ⷇๼⛃
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图3 石墨烯和碳纳米管热导率与温度的关系 (Osman et al. 2001)
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第 44 卷 : 201406
引起热导率下降. 在低温下, 主要的声子散射机制是缺陷散射, 不依赖于温度. 由于与
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石墨烯制备及热学性能分析

石墨烯制备及热学性能分析作者：余秋萍林惠孚谌文澜来源：《中国科技博览》2018年第14期[摘要]石墨烯作为一种新型材料，在多方面具有优良的特性，本文针对石墨烯的热学特性，对石墨烯的热学性能进行研究。

首先介绍了石墨烯材料的特点，重点介绍其导热机理，然后对其热导率进行了预测模拟，最后对其热学性能的具体参数进行了研究测定，对石墨烯材料的热学性能进行了全面的分析研究。

[关键词]石墨烯、热学性能、热导率中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0212-01近年来，石墨烯材料发展迅速，具有广泛的应用前景，受到了广泛的关注。

石墨烯作为一种新型材料，具有非常优异的特性。

石墨烯是由碳原子以sp2杂化组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有单层碳原子的厚度，是目前最薄最轻的材料，厚度仅为0.34nm，比表面积为2630m2/g。

然而它具有极高的强度，杨氏模量与金刚石相当。

其次，石墨烯材料的载流子迁移率高，电流密度耐性大，导电性能优异。

另外，石墨烯具有良好的导热性能，导热率达3000-5000 W/mK，与碳纳米管相当。

石墨烯通电后可以发射光谱波长在0.75-1000微米的远红外线。

远红外与人体具有良好的亲和性，可与人体的分子产生谐振，让人感觉到温暖，其加热原理与阳光相似。

远红外加热具有加热速度快，能耗低，穿透力强，有益于人体健康等特点。

1.石墨烯导热机理介绍石墨烯本身导热性能良好，描述导热性能使用导热率。

导热率定义是，物体内部垂直于导热方向取两个相距一米，面积一平方米的平面，若两平面温差为1K，则1秒内从一平面传导到另一平面的热量规定为该物资的热导率。

热导率的基本计算公式如下：热导率的计算单位为。

其中的A代表的截面面积， Q表示导热中传递的热能，t为时间，T表示导热材料的温度差，l表示的是材料的长度，k为热导率计算值。

对于所有导热材料，热导率还可以用来计算。

这种表述中，三个数据分别为导热载体中的热容、平均速度以及平均的运行自由程。

石墨烯超润滑机理

石墨烯超润滑机理石墨烯是一种单层碳原子构成的二维晶体材料，具有出色的导热、导电和机械性能。

在超润滑方面，石墨烯表现出了引人注目的性能，被认为是理想的超润滑材料之一。

以下是石墨烯超润滑机理的主要方面：1.基本结构：石墨烯的基本结构是由一个层层排列的碳原子组成，形成一个六角形的晶格。

这个结构赋予了石墨烯独特的性质，包括其平坦的表面和出色的机械强度。

2.单层结构：由于石墨烯是单层厚度的二维材料，其表面几乎是无缺陷的。

这使得石墨烯在表面摩擦方面表现出色，减小了摩擦力。

3.理想平整度：石墨烯的碳原子排列非常规整，其表面几乎是理想平整的。

这种理想平整度使得石墨烯表面几乎没有微观凸起和凹陷，减小了表面间的接触区域，从而降低了摩擦。

4.滑动性能：石墨烯分子之间的键结构使得其分子之间存在高度的滑动性能。

碳原子之间的共价键结构保证了足够的强度，而石墨烯的平整表面使得层与层之间的滑动变得非常容易。

5.减小摩擦力：石墨烯在表面之间形成的轻微键合几乎可以忽略不计，从而减小了摩擦力。

这种性质使得石墨烯表面在运动过程中几乎没有能量损失，从而实现了超润滑的效果。

6.润滑液体：石墨烯的超润滑性能还可以通过引入润滑液体来增强。

石墨烯表面可以容纳润滑液体，并且由于其独特的结构，润滑液体可以在石墨烯表面形成一种“滑行”的状态，进一步减小摩擦。

7.应用前景：石墨烯超润滑性能的优越性使其在领域中具有广泛的应用前景，如润滑材料、微纳米器件、传感器、生物医学设备等领域。

总体而言，石墨烯超润滑的机理主要来源于其特殊的二维结构和碳原子之间的强共价键，使得其在表面摩擦方面表现出色，为多种领域的应用提供了新的可能性。

石墨烯导热性能测试方法综述

石墨烯导热性能及其测试方法石墨烯按层数分类，可以分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯。

单层石墨烯是指由一层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料; 双层石墨烯则是由两层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成; 少层石墨烯是由3 ～10层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同方式堆垛(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)而成; 多层石墨烯是指厚度在10层以上、六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子以不同方式堆垛(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)构成的二维碳材料。

除此之外，研究人员还以化学还原和热还原的方法制备出一种石墨烯纸。

石墨烯具有众多优异的性能，包括超高的载流子迁移率(105cm2·V－1·s－1)，是Si 的100倍; 石墨烯的弹性模量高达1TPa，抗压强度达到180GPa，是钢材的100倍。

除此之外，在热学性能方面，石墨烯也被认为是迄今为止最好的传热材料，它的热导率可以高达5000W /mK，大约是金刚石的5倍，是铜的10倍。

本文将围绕石墨烯的热学性能对最近国内外该领域的研究成果进行综述。

1石墨烯的导热机理一般采用热导率来描述一种材料的导热性能。

热导率是指在物体内部垂直于导热方向取两个相距1m、面积为1m2的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为W /mK。

石墨烯是一种层状结构材料，其热学性质主要是由晶格振动引起的，有文献报道通过计算石墨烯内光学声子与声学声子的色散曲线，发现在石墨烯内有六种极性声子，分别为:(1)平面外的声学声子(ZA模声子)和光学声子(ZO模声子) ;(2)平面内横向声学声子(TA模声子)和横向光学声子(TO模声子);(3)平面内的纵向声学声子(LA模声子)和纵向光学声子(LO模声子)。

研究人员通过研究声子的弛豫时间以及弛豫时间随波矢、频率和温度的变化关系发现，声学声子对热导率的贡献可高达95%。

石墨烯纳米结构的光热转换机理与界面能质传输特性及太阳能热局域化应用

石墨烯纳米结构的光热转换机理与界面能质传输特性及太阳能热局域化应用石墨烯纳米结构的光热转换机理与界面能质传输特性及太阳能热局域化应用一、引言随着能源危机的日益严峻和环境污染问题的日益加剧，寻求可替代传统能源的新型能源技术成为全球研究的热点。

太阳能作为一种清洁可再生的能源，具有极大的潜力。

然而，太阳能的利用效率低和成本高一直是太阳能技术发展的瓶颈。

石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料，具有极高的导电性和热传导性，因而被广泛应用于太阳能的光热转换领域。

二、石墨烯纳米结构的光热转换机理石墨烯的光热转换机理主要包括光吸收、载流子输运和热传输三个过程。

光吸收是石墨烯光热转换的起点，石墨烯具有极高的吸收系数和宽广的吸收波长范围，可以高效地吸收太阳光。

一旦吸收光能，石墨烯中的载流子会被激发，载流子的输运过程将决定光电转换的效率。

由于石墨烯的导电性好，载流子的迁移速率很快，因此载流子捕获能力强，利于光电转换。

最后，石墨烯中的光热能转化为热能，热能的传输受到界面能质的影响。

三、界面能质传输特性石墨烯作为一种二维材料，其表面积巨大，与周围环境的相互作用至关重要。

界面能质传输特性是石墨烯纳米结构光热转换效率的重要因素。

石墨烯与吸附分子、基底以及与其它杂质之间的相互作用对界面能质传输起着重要作用。

石墨烯与基底之间的界面能质传输主要包括热传导和电子转移两个方面，其效率受到界面接触模式、屏蔽效应、振动耦合等因素的影响。

四、太阳能热局域化应用石墨烯纳米结构的太阳能热局域化应用是一种有效提高太阳能转换效率的方法。

通过设计合理的结构和调控界面能质传输特性，可以将太阳能光热能量局域在石墨烯纳米结构中，进而提高能量的转换效率。

石墨烯的高导热性和导电性使其具有良好的热能传播和电能输送能力，因此可以有效地将局域的光热能量转化为可利用的能量。

五、结论石墨烯纳米结构作为一种新型的光热转换材料，具有很大的潜力应用于太阳能技术中。

石墨烯纳米结构的光热转换机理主要包括光吸收、载流子输运和热传输三个过程。

石墨烯相变材料论文

石墨烯相变材料论文第一篇：石墨烯相变材料论文石墨烯相变材料的研究摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。

近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。

而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。

关键词：热存储相变材料储热材料石墨烯前言：在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。

相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。

因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。

近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。

相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。

但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。

采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。

常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。

工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。

载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。

石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。

它是构建其他维度炭质材料的基本单元。

石墨烯涂层热传导

石墨烯涂层热传导麻省理工的研究团队在电厂冷凝器表面使用石墨烯涂层，使其更加耐用且导热更快。

在电力厂，冷凝管是收集蒸汽并将其重新冷凝为水的装置，提高它们的效率可以大大提高电厂的整体效率。

研究人员在冷凝管表面涂覆一层石墨烯，发现传热速度提高了4倍，这可以将电厂的效率提高2-3%，这足以改变全球碳的排放量。

冷凝管的一个重要改进就是可以防止蒸汽膜在管外壁形成，这是因为石墨烯具有疏水的性质。

研究人员发现有单层的石墨烯涂层的冷凝管（疏水，不形成蒸汽膜）跟表面形成蒸汽膜的冷凝管（如纯金属）相比可以提高4倍的导热。

进一步的计算表明，最佳的温度差可以将其提高到5-7倍。

研究人员还发现，在这样的条件下，石墨烯的性能并没有降低。

21世纪的新材料——石墨烯，是颠覆全球材料科学的一项划时代的创新。

石墨烯具有高强度、高模量、轻质、超薄、柔韧性好等特点，具有优异的透光性、透明度、导电、导热、储能、抗菌、防紫外线、防静电性能，已在当代高科技计算机、信息产业、人工智能、交通运输、航天航空、国防军工等领域得到较多的应用。

由于石墨烯是一种片层的二维纳米粒子，不存在类似于高聚物的分子链，因此直接制备石墨烯纤维存在一定的难度。

目前很多关于石墨烯纤维的制备仍然仅限于实验室阶段，还远远不能够进行实际应用与普及。

而氧化石墨烯(GO)由于具有较为丰富的羧基、羟基以及环氧基，使其在溶剂中的分散性更好，因而实际应用中多以GO为主，再经过后期还原得到石墨烯(还原氧化石墨烯，RGO)。

充分利用石墨烯的特性和功能，嫁接至纺织纤维和织物上，可扩大其用途，特别在高端纺织品的发展和应用方面潜力较大。

在纤维方面的应用随着纳米技术的不断发展，通过将石墨烯纳米粒子引入到聚合物纤维基体中，可以开发石墨烯/聚合物基复合纤维。

石墨烯的引入，有利于改善聚合物纤维的强度、耐热性、耐候性、抗静电等诸多性能，增强纤维材料整体性能和应用领域。

以石墨烯为载体复合的纤维有纯棉、粘胶等纤维素纤维，涤纶、锦纶、腈纶、氨纶、芳纶、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚丙烯酸等合成纤维。

石墨烯材料研究进展

《材料化学工程导论》报告班级学号：1001100425姓名：王卓历指导教师：日期：2013.12.23南京工业大学化学工程与工艺专业石墨烯材料研究进展及应用前景摘要：石墨烯又称单层石墨,是一种新发现的二维材料,厚度只有一个碳原子厚度。

它是目前世上最薄却也最坚硬的纳米材料,几乎是完全透明的,只吸收 2.3%的光,导热系数高达5300 W/mk,高于金刚石和碳纳米管,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs,也比碳纳米管和硅晶体高,是目前世界上电阻率最小的材料。

因电阻率极低,光透过率也较好,因此适合制作透明触控屏幕、透明电极等。

本论文首先总结了石墨烯的制备方法和表征性质及手段,然后针对石墨烯作为透明电极的可能性进行了探讨,最后基于石墨烯和碳纳米管性质的相似性,对两种不同工艺制备的石墨烯的场发射性质及电学性质进行了对比研究,表明石墨烯是一种具有潜在的场发射应用价值的新型材料。

石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。

2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。

本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。

关键词：石墨烯制备应用进展石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。

石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研究热。

这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｒａｐｈｅｎｅｉｓａｋｉｎｄｏｆｎａｎｏ－ｓｉｚｅｃａｒｂｏｎｍａｔｅｉｒａｌ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｘｉｍａｌｓｐｅｃｉｆｉｃ
对流传热和相变传热领域中的强化效应和机理，分析了石墨烯导热和强化传热存在的问题和研究方向。
关键词：石墨烯；导热机理；强化传热中图分类号：０６１３．７１文献标识码：Ａ
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石墨烯是碳原子紧密排列成单层二维蜂窝状
晶格结构的碳质新材料，其单层厚度仅０．３３５ｎｍ，理
高分子材料的热导率就备受学术界和工业界的青睐，在解决超大规模集成电路的散热方面颇具潜力…。化学改性石墨烯可有效分散于水性或油性基液工
ＸＩＮＧＹｕ — ｌｅｉ，ＸＵＫｅ，ＬＩＵＹａｎ — ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧＬｉｎｇ — ｐｉｎ，ＱＩＣｈｕｎ — ｈｕａ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅａｗａｔｅｒＤｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎａｎｄＭｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ＳＯＡ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１９２，Ｃｈｉｎａ）
ｓｕｆｒａｃｅａｒｅａａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｈａｓｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｔｓｉｎａｓｐｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ．Ｉｔ
邢玉雷，徐克，刘艳辉，张令品，齐春华
（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所。天津３００１９２）
摘
要：石墨烯是纳米尺寸的碳材，具有极大的比表面积、优异的导热特性，在强化传热领域应用前景广
阔。阐述了石墨烯高导热机理以及基底、温度、尺寸、结构等因素对其导热性能的影响。综述了石墨烯在导热、
ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｉｚｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ．Ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｉｓｒｅ — ｖｉｅｗｅｄａｎｄａｎｌｙａｓｅｄｉｎａｓｐｅｃｔｓｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓ