石墨烯在强化传热领域的研究进展
石墨烯高导热机理及其强化传热研究进展
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 ： ０ ６ １ ３ ． ７ １ 文献标识码 ： Ａ
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２ ０ １ ５年第 ０ ５期
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石墨烯材料制备工艺的导电性与导热性改进
石墨烯材料制备工艺的导电性与导热性改进石墨烯是由碳原子形成的单层二维材料，拥有出色的导电性和导热性。
然而，目前的石墨烯材料制备工艺仍存在一些挑战，包括材料生长过程中的晶格缺陷和杂质掺杂。
针对这些问题，科学家们正在积极研究改进材料制备工艺，以提高石墨烯的导电性和导热性。
首先，石墨烯的导电性改进是一个重要的研究领域。
目前石墨烯的导电性主要受到晶格缺陷的影响，如碳原子的缺失和替代。
科学家们通过控制材料生长条件和后续处理步骤，可以减少晶格缺陷的形成。
例如，在石墨烯的生长过程中引入一些外部物质，如金属催化剂或气氛掺杂，可以减少晶格缺陷的形成。
此外，采用高温高压等方式也可以减少晶格缺陷的产生，提高石墨烯的导电性。
此外，石墨烯的导电性还可以通过化学修饰来改善，例如在石墨烯表面引入其他原子来改变其电子结构和能带结构。
其次，石墨烯的导热性也是一个关键问题。
由于材料的单层结构和碳原子之间的紧密排列，石墨烯具有非常高的导热性，但实际制备过程中，常常会出现杂质和缺陷，导致导热性下降。
为了克服这些问题，科学家们采用了多种方法来改进石墨烯的导热性。
一种方法是控制材料生长过程中的温度和压力，以获得高质量的石墨烯。
另一种方法是利用化学气相沉积技术，通过控制碳源浓度和气氛条件来改善石墨烯的导热性。
此外，科学家们还发现，通过在石墨烯表面引入纳米颗粒或拉长石墨烯的形状，可以增加石墨烯的导热性。
最近，一些研究还探索了利用石墨烯和其它材料复合制备复合材料来提高石墨烯的导热性。
综上所述，虽然石墨烯已经展示出出色的导电性和导热性，但目前的制备工艺仍然有改进的空间。
通过优化石墨烯生长条件，控制晶格缺陷和引入纳米颗粒等手段，可以显著提高石墨烯的导电性和导热性。
这些改进工艺的研究不仅对于理解石墨烯的基本性质有重要意义，也可以为石墨烯在电子器件和热管理等领域的应用提供更好的基础。
接上文，还有一些其他的方法可用于改进石墨烯材料的导电性和导热性。
除了控制材料生长条件和后续处理步骤外，还可以使用化学修饰的方法来改善石墨烯的导电性和导热性。
石墨烯导热材料的制备及传导行为分析研究
石墨烯导热材料的制备及传导行为分析研究导热材料在现代科技中有着广泛的应用，尤其在电子器件散热、能源存储和转换等领域。
然而，传统的导热材料往往存在各种限制，如体积庞大、重量高、散热效率低等。
近年来，石墨烯作为一种具有卓越导热性能和结构特点的材料，在导热领域展示出了巨大的应用潜力。
本文将介绍石墨烯导热材料的制备方法以及对其导热行为的分析研究。
石墨烯是一种由碳原子排列成的二维蜂窝晶格结构的材料。
它具有很高的导热系数和热稳定性，这使得它成为一种理想的导热材料。
石墨烯导热材料的制备方法可以分为自上而下和自下而上两种方式。
自上而下的方法主要包括机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积法。
机械剥离法是最早被发现的制备石墨烯的方法，它通过机械剥离石墨矿石表面层来获取石墨烯材料。
这种方法简单有效，但产量较低且成本较高。
氧化还原法则是采用石墨氧化物作为原料，经过氧化、还原过程得到石墨烯材料。
这种方法可以大规模制备石墨烯，但仍有一些问题，如氧化物残留和还原过程中的杂质。
化学气相沉积法则是在金属基底上通过气相反应生长石墨烯。
这种方法制备的石墨烯结晶性较好，但存在一定的限制，如对金属基底的要求较高。
自下而上的方法主要包括化学还原法和热解法。
化学还原法通过化学反应将石墨烯氧化物还原成石墨烯。
这种方法制备的石墨烯具有较高的质量和较好的尺寸控制性。
热解法则是通过高温热解石墨烯前体来制备石墨烯。
这种方法可以在大规模上生产高质量的石墨烯材料。
制备好石墨烯导热材料后，对其传导行为的分析研究是必不可少的。
传导行为的研究可以通过直接测量石墨烯材料的热导率来实现。
石墨烯的热导率很高，但对其导热机理的理解仍存在一些争议。
目前对石墨烯的导热机理有两个主要的解释：基于晶格振动的传导和基于电子传导的传导。
基于晶格振动的传导是指石墨烯导热的机制是由晶格振动引起的能量传递。
石墨烯的晶格振动频率非常高，导致其热传导速度快。
此外，石墨烯的二维结构也有利于这种传导机制的发生。
新型材料——石墨烯的应用与研究进展
新型材料——石墨烯的应用与研究进展近年来，石墨烯作为一种新型材料，备受科技界关注。
它具有极高的导电性、导热性、力学强度和化学稳定性，同时具有较大的比表面积和独特的光学特性。
其应用前景广泛，研究进展也十分迅猛。
一、石墨烯的基本特性石墨烯是由碳原子按照六边形排列构成的薄片状材料。
它只有一层碳原子，具有很高的层间结合能，因此能够在空气中稳定存在。
石墨烯具有很高的导电性和导热性，在热和电传输中有着重要的应用价值。
同时，石墨烯还具有很高的力学强度和柔性，具有非常广泛的应用前景。
二、石墨烯应用领域1. 电子学领域石墨烯具有优异的导电性，单层石墨烯的电阻率仅为5.4×10^−6 Ω·cm。
因此，石墨烯被广泛应用于电子学领域，例如制造场效应晶体管、光电器件和传感器等器件。
同时，石墨烯电极还可以被用于储能器件、发电装置等。
2. 新型储存材料石墨烯具有极高的比表面积和化学稳定性，所以在储存材料方面也有着广泛的应用，如锂离子电池、超级电容器及磁性纳米复合材料等。
3. 生物医学领域石墨烯还具有良好的生物活性和生物相容性，因此在生物医学领域也有着广阔的应用前景。
例如，可用作药物载体、生物医学传感器及组织再生材料等。
4. 环境保护领域石墨烯还可以用于环境污染治理。
例如，可用作水处理材料、油污处理材料等。
同时，石墨烯还可以用于制造环保材料，如石墨烯防护材料。
三、石墨烯的研究进展1. 石墨烯导电性研究通过石墨烯的导电性研究，人们发现了一些比较好玩的现象：石墨烯可以在极低的电压下形成电泳效应，这种现象对于生物医学、纳米电子学等领域具有重要意义。
2. 石墨烯的力学性能研究石墨烯的力学性能在最近几年得到了广泛关注，例如制造高性能复合材料等。
此外，还有很多关于石墨烯力学性能的理论研究。
3. 石墨烯的光学性能研究石墨烯在光学方面的研究也得到了广泛关注。
石墨烯的独特光学特性使其具有在光电池、太阳能电池等领域应用的潜力。
石墨烯材料及其应用研究进展与展望
石墨烯材料及其应用研究进展与展望石墨烯，也被称为“黑金属”，是由碳原子单层构成的材料，具有极高的热导率、电导率和机械强度，被誉为“二十一世纪的材料之王”。
自从2004年发现石墨烯后，无论是在学术界还是工业界，都引起了广泛的关注。
本文将简单介绍石墨烯的结构、性质以及目前的研究进展与应用前景。
一、石墨烯的结构和性质石墨烯是一种类似于石墨的材料，但是石墨烯只有一个碳原子层，比石墨薄了几百倍。
这种单层的碳原子非常有规律地排列在一个六边形的结构中，每个碳原子都有三个邻近的碳原子与其形成共价键，因此石墨烯呈现出六角形的蜂窝状结构。
这种结构使得石墨烯在垂直于层面方向上具有极高的导电性和热导性，同时也具有高强度、高韧性、优异机械性能和热稳定性等性质。
二、石墨烯的研究进展1. 石墨烯的制备石墨烯的制备是石墨烯研究中的一个关键问题。
目前常用的制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法等技术。
其中机械剥离法是最早发现石墨烯的方法，其通过石墨的机械剥离来制备石墨烯，但是该方法不仅制备量小，且需要高度纯净的石墨。
化学气相沉积法是目前最为常用的大规模生产石墨烯的方法之一，它通过一系列化学反应使得前驱物分解成碳原子而形成石墨烯。
而化学剥离法是通过化学反应来从石墨中剥离出石墨烯，与机械剥离法类似，但更容易实现大规模制备和控制石墨烯的质量。
2. 石墨烯的物理性质研究石墨烯是一种具有异质结构的二维材料，在物理、化学等方面具有独特的性质，这也成为了其在各个领域的研究热点。
目前已经研究出石墨烯的很多物理性质，如它的光学性质、磁性质、电学性质等。
例如，由于石墨烯有极高的电导率，因此可以用于制作透明导电薄膜，这将极大地促进柔性触屏的发展。
3. 石墨烯在能源领域的应用由于石墨烯具有优异的导电性、高强度和热稳定性等性质，因此在能源领域有着广泛的应用。
例如，石墨烯电池能够显著提高电池的能量密度和循环寿命；石墨烯太阳能电池可以大幅提高光电效率和稳定性；石墨烯超级电容器能够实现超高的能量密度和功率密度等等。
新型导热材料的开发与应用
新型导热材料的开发与应用引言：导热材料在现代科技中发挥着重要作用，尤其在热管理和工业领域。
然而，传统导热材料的导热性能存在一定限制，因此研究人员不断努力开发新型导热材料，以满足不断变化的需求。
本文将介绍新型导热材料的开发与应用领域，并讨论其优势和挑战。
一、新型导热材料的研发进展1.1 石墨烯导热材料石墨烯是一种由石墨单层组成的二维材料，具有出色的导热性能。
它的热导率高达5000 W/m·K，比铜还要高。
石墨烯的独特结构赋予其在导热方面的卓越性能，使其成为研究的热点。
目前，研究人员已经成功制备了石墨烯导热材料，并在热管理、电子器件散热和纳米复合材料等领域取得了一定的应用。
1.2 纳米流体导热材料纳米流体是一种将纳米颗粒均匀悬浮在基础液体中的复合材料。
纳米颗粒的加入使得纳米流体具有比传统流体更高的导热性能。
这是因为纳米颗粒增加了导热路径，提高了热传导效率。
纳米流体导热材料的热导率可以达到100 W/m·K以上，比同质量的液态导热介质提高了数倍。
由于其出色的导热性能，纳米流体导热材料在散热设备、电子器件和太阳能集热器等领域有广泛的应用前景。
1.3 纳米多孔材料导热材料纳米多孔材料具有大量的孔隙和高比表面积，可以形成热传导的通道。
这些通道可以增加导热路径，并吸收和传导热能。
常见的纳米多孔材料包括氧化锆、氧化铝和碳纳米管。
这些材料的导热性能优于传统材料，并广泛应用于催化剂、热电材料和热障涂层等领域。
二、新型导热材料的应用领域2.1 热管理领域新型导热材料在热管理领域有广泛的应用，可以帮助控制和调整温度。
例如，在电子器件中，高性能导热材料可以有效散发热量，保证设备的正常工作。
此外，新型导热材料还可以应用于汽车发动机和航空航天设备等领域，提高能源利用率，减少热能损耗。
2.2 能源领域能源领域对导热材料的需求也很大。
例如，在太阳能集热器中，高导热性能的材料可以有效转换太阳能为热能。
此外，导热材料还可以应用于热电材料，将废热转化为电能，并提高能源的利用效率。
石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展
石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有极高的强度、导电性和导热性，并且具有非凡的物理和化学性质。
自2004年以来，石墨烯的相关研究一直是材料科学领域中最具活力和发展潜力的研究之一。
本文将就石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展进行探讨。
一、石墨烯的物理性质1.导电性石墨烯具有出色的导电性，是迄今为止最佳的导电材料之一。
由于本构结构的特殊性质，石墨烯具有强大的电子传输能力，使其能够实现高速电子传输，并在电子器件中发挥重要作用。
2.强度和刚度石墨烯是一种具有极高强度和刚度的材料。
其平均强度是钢铁的200倍，因此具有非常高的抗压和抗拉能力。
这些特性使它成为未来材料发展领域的热点之一。
3.热导率石墨烯具有极高的热导率，是钻石的几倍，挑战了经典Fourier热传导定律，该定律无法解释石墨烯非常显著的热导率。
这使得石墨烯成为热传导性能研究的热点对象。
二、石墨烯的化学性质1.化学反应性石墨烯在氧化、硝化、氢化等化学反应中表现出良好的反应性。
例如，氧化后的石墨烯可以制成石墨烯氧化物，具有比石墨烯更好的导电性和导热性，并有望在透明导电膜、电存储器以及生物传感器等领域得到广泛应用。
2.表面功能化石墨烯表面的化学修饰可以改变其表面特性，如润湿性、分散性和反应活性，增强其化学可用性。
例如，将石墨烯表面修饰为羟基、胺基、硫基等功能化基团后，能够制备出更优异的光催化材料，并在光催化分解有机污染物等方面有着广泛应用。
三、石墨烯的应用前景1.电子器件由于石墨烯具有卓越的导电性能，所以它被广泛应用于电子器件领域。
例如，石墨烯晶体管、柔性电子器件、透明导电膜等都是石墨烯电子器件的典型应用之一。
2.能源材料石墨烯在能源材料领域的应用十分广泛，如锂离子电池、超级电容器、电催化等。
例如，石墨烯锂离子电池的电极材料可以大大提高电池的能量密度和循环性能，在电动车、移动设备等方面得到广泛应用。
3.光电材料石墨烯在光电材料领域的应用也越来越受到关注，如光催化材料、透明导电膜、光电探测器等。
石墨烯材料的研究及其热性质
石墨烯材料的研究及其热性质石墨烯是一种由碳原子形成的二维材料，具有非常出色的热导率和热容量，已经成为新一代热管理材料的研究焦点之一。
本文将对石墨烯材料的研究及其热性质进行探讨。
一、石墨烯的研究历程石墨烯的发现可以追溯到1947年，当时物理学家Wallace首先提出石墨烯理论。
但是由于当时实验条件的限制，石墨烯一度被忽视，直到2004年，安德烈·海姆(A.K. Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(K.S. Novoselov)两位科学家进行了关键性的实验，成功地制备了一层厚度只有一个原子的石墨烯。
这一研究成果获得了2010年诺贝尔物理学奖，推动了石墨烯材料研究的蓬勃发展。
二、石墨烯的热性质石墨烯由于其极高的热导率和热容量，已经成为新一代热管理材料的研究热点。
热导率又称为热传导率，是材料在温度梯度作用下传导热量的能力，石墨烯的热导率非常高，高达5300 W/m·K，是铜的5倍，金的10倍。
这意味着石墨烯可以迅速传导出热量，从而有效地降低温度，提高电子元件的性能和寿命。
同时，石墨烯还具有极高的热容量，热容量是材料温度变化单位下的热能变化量，也是衡量材料储存热能的指标，石墨烯的热容量是空气的1000倍左右，这意味着石墨烯可以吸收大量热量，保持低温状态，减少热膨胀和热应力的影响。
因此，石墨烯在高温、高压等极端条件下的应用前景非常广泛。
三、石墨烯在热管理领域的应用由于石墨烯在热传导和热容量方面的出色表现，已经被广泛应用于热管理领域。
例如在电子元件中，由于电子元件的工作过程中会产生大量的热量，如果热量不能有效地散发，会导致电子元件性能下降，甚至烧坏。
因此石墨烯的高热导率能够快速传导出电子元件的热量，保持元件运作的稳定性，延长元件的使用寿命。
而在电池领域中，石墨烯也被广泛应用，例如在利用太阳能进行光催化水分解制氢的过程中，需要一个高效的热管理材料，而石墨烯正好能够满足这一需求，由于其高热导率和热容量，可以快速将光催化产生的热量散发出去，避免了光催化反应中产生的热效应。
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石墨烯以其优异的热导率可以广泛应用各种类型的热界面材料 如作为填料用于导热硅脂、导热凝胶、相变材料等
采用高温热还原的方法制备了还原的氧化石墨烯（RGO） 采用插层—膨胀—剥离的方法制备了石墨烯纳米片（GNP） 分别以RGO、GNP和天然鳞片石墨（NFG）为填料制备了导热硅脂
体积分数
1% 1.25% 4.25%
于伟采用机械共混法制备了以石墨烯纳米片 为填料的高导热尼龙6复合材料
该复合物的热导率随着石墨烯纳米片的含量的增加而线性增 大，当体积含量为20%时，其热导率达到4.11 W·m-1·K-1 ， 是尼龙6 复合材料热导率的15倍。
研究表明，填充型复合物材料的导热性能受到导热填料的热 导率、种类、粒径、结构形态和表面润湿程度等因素的影响。
改性后的氧化石墨烯纸的热导率
碱土金属离子改性的氧化石墨烯纸的热导率达到61.38 W· m-1· K-1
研究进展
2.石墨烯基纳米流体
纳米流体 指以一定方式在液体介质中添加纳米粒子或是纳米管而形成 均匀、稳定、高效的新型换热介质
性能预测 石墨烯作为一种碳纳米材料，超高的热导率，使其在热管 理领域具有很大潜能。 石墨烯是二维纳米材料，相较于零维纳米颗粒和一维纳米 管，其热传输特性和传热机制有很大不同 。
石墨烯作为二维材料与一维材料、零维纳米材料可协同提高 复合体系的热导率。
石墨烯与零维的球形氧化铝在提高导热硅脂热导率方面具有明显 的协同效应。
石墨烯在添加量较少的情况下（质量分数<1%）即具有明显的协同 强化传热效果，氧化铝在复合体系中的含量越高，协同效果越 明显，其研究结果和模型分别如图8和图9所示
Yu研究乙二醇基含氧化石墨烯的纳米流体。因为氧化石墨烯表 面有丰富的极性基团，有良好的亲水性，可在乙二醇得到很好 的分散，具有良好的长期稳定性。
氧化石墨烯具有很强的亲水性，能够均匀稳定地分散在极性溶剂 中，但是很难分散在非极性溶剂中。 于伟等采用相转移方法制备了均匀稳定的含有氧化石墨烯的非极 性溶剂的悬浮液 纳米流体的热导率增加比随着氧化石墨烯的添加量的 增加而近似线性增大 纳米流体的热导率增加比随着基体热导率的增加而降 低。两者的热导率相差越大，纳米流体热导率增加效 果越明显 虽然氧化石墨烯能够有效地增加纳米流体的热导率，
研究发现 石墨烯拉曼光谱2D带的温度敏感性优于G 单层石墨烯在真空中的最大导热率为3100W· m-1· K-1 采用类似的测试方法得到的热导率分别为1800 W· m-1· K-1 （325 K）和710 W· m-1· K-1（500 K） 测试了悬架的石墨烯和有支撑的石墨烯的热导率，分别 为2500和370 W· m-1· K-1
Schwamb
采用四点测量方法，得到了还原氧化石墨烯的热导率，发 现其热传输特性强烈依赖于石墨烯的氧化水平
氧化石墨烯膜的导热性能研究
氧化石墨烯薄膜的面内和垂直方向的热导率
具有各向异性，面内的热扩散系数和热导率分别为 1.57×10-6 m2· s-1和2.21 W· m-1· K-1 ，垂直方向的热扩散系 数为1.68×10-7 m2· s-1.
自Novoselov和Geim于2004年发现至今，石墨烯以超高载 流子迁移率、高热导率、高强度、高比表面积等优点引起 了科技界的广泛关注。 2008年，通过实验得到了单层石墨烯的热导率，其值高达 5300 W· m-1· K-1。
研究进展
1 石墨烯及氧化石墨烯薄膜（纸）的热导率 美国加州大学 共焦显微拉曼光谱
1
热Hale Waihona Puke 率与温度关 系很大，随温度 的升高而增大
研究表明
3
在50℃时，石墨 烯纳米带的热导 率突增至1044.4 1 W· m-1· K-1。
2 T： -75℃～100℃ K： 126.21～877.32 W· m-1· K-1
误差小于5%，是一种可靠的测试石墨烯热导率的方法
研究者 Chen Lee Cai
但是其热导率增加比远小于预期值
氧化石墨烯的本身热导率小于石墨烯，而且氧过程产生 的结构缺陷，直接影响了热量沿着二维平面的传输
氧化石墨烯还原，在还原过程中加入表面活性剂，阻止石墨 烯的团聚，得到易在极性溶剂中分散的石墨烯。
研究进展
3.石墨烯热界面材料 热界面材料 热界面材料是指在固体表面接触时（通常指发热源和散热器件） 用于补充和填充因固体接触表面不匹配而产生的缝隙的材料 性能预测 通常需要具有优良的导热能力和良好的浸润性。
原理 石墨烯的拉曼光谱G带具有 很强的温度敏感性，通过 测试石墨烯G带拉曼位移的 改变，计算得到石墨烯的 热导率。
结论
单层石墨烯的热导率。 分析了不同层数石墨烯拉 曼光谱随温度变化的系数， 得到了石墨烯的热导率与层 数间的关系。
谢华清等采用稳态自加热法研究自由悬架的石墨烯纳 米带的热传输特性
石墨烯在强化传热领域的研究进展
来源：科技导报，2015.33（5） 作者：于伟 谢华清 陈立飞 汪明珠 齐玉 上海第二工业大学工学部环境与材料 工程学院
1
研究背景
2
研究进展
3
总结与展望
研究背景
石墨烯是一种单原子层厚度的二维平面碳纳米材料，由 sp2杂化碳原子连接而成，该特殊结构赋予了石墨烯独特 的物理和化学特性。
Baladin课题组：研究石墨烯基热界面材料
研究进展
4 石墨烯导热复合材料
导热复合材料 导热高分子复合材料是一种极具应用前景的功能材料，由于其 具有热导率高、易加工、耐腐蚀等优点，因而在微电子、航空 航天、军事装备、电机电器等领域发挥着非常重要的作用。 性能预测 对于填充型的高导热高分子复合材料，其优异的传热特性很大 程度上取决于填料的性能。 石墨烯以其超高的载流子迁移率、优异的热导率、高比表面积 和高强度等优点，在高导热高分子复合物材料领域具有广泛应 用潜力。
总结与展望
迁移 率高
规模化生产，解决成本高
平面 结构
相容性问题，降低界面热阻 和应力
潜力
多尺度材料间的结构互补
比表 面积 类石墨烯材料的研究
Thank you !
导热率增加比
RGO 最大（103.8%）
结论
在低添加量时，RGO是最有效的填料
显著的毛细效应，导热硅脂丧失流动性，限制了实际应用 GNP最大（668%） 远高于以NFG为填料的导热硅
原因：1.二维平面结构、高热导率，降低了尺寸效应对声子散射的贡献 2.比表面积较大，增加填料与基质的接触面积，降低了界面热阻