上海交通大学、香港城市大学、西南交通大学及悉尼大学的多位学者，系统介绍了石墨烯的热导率及其影响因素，石墨烯/聚合物复合材料的热导率及其影响因素和研究进展，指出了石墨烯/聚合物导热复合材料目前尚待解决的问题、新的挑战和未来的发展机遇。综述内容以“Thermal conductivity of graphene-based polymer nanocomposites”为题，发表在材料科学与工程著名期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》 上。

石墨烯由sp²杂化碳原子组成，非常高的声子群速度和高度简谐晶格，导致其具有极高的热导率，被认为是聚合物热导率增强的最佳填料。

目前增强石墨烯/聚合物复合材料的热导率存在几个问题：

一、石墨烯仅在结构完美的情况下才具有超高导热率，边缘、缺陷、褶皱、衬底、掺杂和修饰的存在都会使本征导热率急剧下降；

二、石墨烯难以分散在聚合物基体中并形成的特定空间结构；

三、石墨烯和聚合物基体之间存在较大的界面热阻。

影响石墨烯/聚合物复合材料热导率和增强导热率制备的影响因素及其应用前景

对于石墨烯/高导热聚合物复合材料，优异的高热导率和高长径比是其两个关键优势，然而事物具有两面性，优势的背后依然存在一些问题：

一、石墨烯热导率对许多因素非常敏感。缺陷、掺杂、同位素、褶皱、折叠、修饰，与基体的相互作用等都会导致石墨烯的热导率显著降低。表面修饰能提高石墨烯与聚合物基体的亲和性但会导致石墨烯的热导率降低。因此，提升石墨烯与基体之间的亲和性和保持石墨烯的热导率之间的矛盾是研究者关注的重点。

二、高长径比条件下，石墨烯/聚合物熔体或石墨烯/聚合物的溶液具有高粘度，复合材料制备变得非常困难。

三、目前没有方法能够有效控制石墨烯与聚合物基体间界面热阻、石墨烯与石墨烯片间的接触热阻的方法。

四、实验发现，一些纳米管和薄层石墨片具有比GO和RGO更完美的结构，导热增强性能更好。石墨烯在高导热聚合物复合材料中的优势尚未得到很好证明。

五、石墨烯具有很高的导电性，能显著提高聚合物复合材料的电导率。在石墨烯上涂覆一层无机纳米粒子或绝缘聚合物等可使复合材料具有一定的电绝缘性，但一方面复合材料的热导率受额外的界面热阻和接触热阻的影响，另一方面石墨烯的高导电性使其聚合物复合材料无法承受高电压。

石墨烯/聚合物复合材料若要获得理想的热导率，需解决以下问题：

一、大规模制造具有完美晶格的高质量石墨烯。目前量产石墨烯实际热导率可能低至只有几十W/m·K。

二、在石墨烯/聚合物复合材料的实际生产中，表面改性改善了加工性，但会降低石墨烯的本征热导率；大尺寸的石墨烯具有高的导热增强效率，但加工、分散困难。

三、利用预制的三维石墨烯导热结构实现复合材料的高导热是一种很有效的途径，但界面热阻和接触热阻还需深入研究。

四、石墨烯与不同导热填料的协同效应，可以克服石墨烯形成层状结构的弱点，改善其分散性，提高石墨烯的导热增强效果。

五、石墨烯具有各向异性的热导率，面内热导率比面外热导率高两个数量级以上。利用施加电场/磁场、静电纺丝、机械应变、注塑、滚塑、自组装、冰模板、过滤和溶液浇铸等方法，可以设计和制备具有高面内热导率或高厚度方向热导率的石墨烯/聚合物复合材料。

六、石墨烯及其复合材料宏观和微观热导率测量和表征技术仍需要深入研究，还要研究材料在服役前/服役过程中的热导率变化。

七、获得石墨烯复合材料高热导率的同时，保持低介电常数是非常有价值的。但石墨烯复合材料通常具有高介电常数，在未来通信技术中的应用严格受限。

原文链接：doi.org/10.1016/j.mser.2020.100577

信息来源：Materials Science & Engineering R: Reports，介电高分子材料

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