成果简介
本文，北京大学工学院白树林教授（通讯作者）郭海长（第一作者）等研究人员在《ACS Nano》期刊发表名为“Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications”的论文，研究报告了石墨烯填充热塑性聚氨酯（TPU）复合材料在三维印刷过程中不对称排列结构的形成。打印的垂直对齐结构显示出高达12 W m –1 K –1的贯穿平面热导率（TC）石墨烯含量为45 wt％，约水平打印结构的8倍，超过许多传统的颗粒增强聚合物复合材料。
优异的TC主要归因于各向异性结构设计，该结构得益于石墨烯的最佳取向度和通过精细控制打印参数实现的多尺度致密结构。有限元法（FEM）证实了各向异性TC设计对高导热复合材料的本质影响。本研究为开发三维印刷石墨烯基聚合物复合材料提供了一种有效的方法，用于可扩展热相关应用，如电池热管理、电子封装等。
图文导读
图1.3D打印石墨烯/ TPU复合材料的完整制造过程
图2、挤压石墨烯/ TPU具有涡流对准形态的微丝示意图
图3.（a）TP和（b）IP样品的二维WAXS模式，其中石墨烯含量从5、10、20、30、40至45 wt％（从左到右）增加。外环对应于石墨烯的（002）平面，而内环则反映了TPU基质的非晶特性。
（c）比较45个IP和45个IP样品的一维XRD图谱，显示了不同晶面的明显强度变化。
（d）面板a和b中2D散射模式对应的方位角积分强度分布图。
（e）TP和IP样品的Hermans取向参数f作为石墨烯含量的函数。
（f）从z入射X射线的示意图TP和IP样品的方向（上表面）以及显示大多数石墨烯片的相应石墨烯分布状态（右插图）在xy平面中对齐，而少量石墨烯在xz平面中对齐。
（g）印制丝的SEM图像显示不对称排列的结构。
（h）在面板g的顶部有一些平面排列的石墨烯片
（i）在底部有一些涡旋排列。
图4.（a）TP1和TP2样品的全平面热导率和（b）热扩散率。（c）TP1和TP2样品的导热路径示意图。（d）TP1和TP2样品的计算孔隙率。（e）15 wt％TP1样品的左侧和（f）右侧SEM图像显示了垂直排列的结构，相邻微丝之间的界面粘合性得到增强。（g）面板f中石墨烯的放大有序堆叠结构。
图5.（a）TP1和（b）TP2结构的模拟瞬态热传递过程。相应温度曲线相对于（c）中的时间和（d）功率密度。（e）TP1（f）TP2结构的最终温度取决于横向TC（x轴）和轴向TC（y轴）。（g）TP1结构的最终温度取决于接触热阻（x轴）和横向TC（y轴）。
图6.（a）用于温度检测的电池测试设置的示意图。（b）3D打印的纯TPU电池组（左）和石墨烯/ TPU电池组（右）的红外图像。（c）不同3D打印电池组中的电池温度曲线。插图显示了两个测试电池的电路连接和照片。
小结
综上所述，本文开发了一种廉价且可批量生产的方法，通过熔融沉积建模（FDM）来制造具有优异的贯穿面热导率的石墨烯/ TPU复合材料。这表明3D打印石墨烯/ TPU复合材料具有出色的散热性能。最后，对准效果和多尺度密集结构设计方法可以扩展到其他2D材料，以制造面向各种热，电和机械应用的分层对准结构。
文献：
