石墨烯基水性导热涂料热管理的优势

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背景介绍

随着科学技术的飞速发展，电子产品正朝着小型化、集成化的方向发展，如柔性电子器件、发光二极管等。其中，电子产品的散热问题已成为当前的关键技术难题。主要有三种散热方式:热传导、对流和辐射。由于电子产品的散热器体积和尺寸较小，因此对流冷却在散热过程中的作用相对较小。电子产品内部的热量主要通过热传导和热辐射向空气中传播。传统的散热器材料是高导热金属，通过其优异的导热性达到良好的散热性能。然而，金属材料不耐腐蚀，在接触空气湿气时很容易腐蚀基板，对电子产品的使用构成很大的安全隐患。为了解决这个问题，通常在金属散热器表面涂上一层耐腐蚀涂层。然而，涂层的主要成分是树脂，这是一种导热系数低的高分子有机物。这极大地限制了电子产品的散热效率。

这种高导热聚合物涂层的制备通常涉及在聚合物基体中加入一定比例的无机填料以获得更高的导热性。然而，由于聚合物基体的巨大声子谱与无机填料之间的不匹配，界面处的晶格振动能量严重减弱，显著增加了两组分之间的界面热阻，导致复合材料之间的导热性降低。为了提高复合材料的导热性，通常选用导热系数较高的导热填料进行改性。石墨烯具有导热系数高、导电性高、力学性能优异、比表面积大等诸多优异性能。室温下其导热系数可达5000
W/(m·K)。因此，石墨烯也被添加为高导热填料，以增强涂层/材料的导热性。因此将其添加到聚合物中具有很高的辐射散热性能，大大提高了涂层的辐射散热性能，从而提高了冷却效率是最佳的改善方法之一。

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成果掠影

近日，煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心赵建国和张进团队针对高性能热管理材料的研究取得最新进展。本研究以液相剥离法制备的石墨烯作为功能添加剂材料，在不锈钢基体上成功制备了石墨烯高导热涂层材料，以增强冷却性能。研究发现，不同石墨烯含量的不同涂层材料的导热系数差异显著，石墨烯含量为15%时，导热系数可高达9.499 W/(m·K)，可快速实现散热。结合热涂层的实际工况，对涂层的综合性能进行了测试，具有优异的耐腐蚀性能和优异的耐温度循环性能。在实验条件下，在不锈钢基体中加入热涂层后，其冷却效果明显改善。与未包覆的空白试样相比，室温下传热时的最大温差可达11℃，-80℃下的最大温差可达19℃。这项研究的涂层在热管理领域的应用前景有巨大的潜力。研究成果以“Preparation and Performance Evaluation of
Graphene-based Waterborne Thermal Conductive Coatings”为题发表在《Surface & Coatings Technology》。

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图文导读

图1.石墨烯水性高导热涂料的制备。

图2.石墨烯扫描电子显微镜图像和原子力显微镜图像。

图3.不同石墨烯负载涂层的热扩散系数(a)和导热系数变化(b)。

图4.不同石墨烯添加量制备涂层的微观结构。

图5.不同石墨烯添加量制备的涂层的耐水性测试。

图6.石墨烯导热涂层的热辐射温度曲线。

审核编辑：黄飞