来源 | Advanced Nanocomposites

链接 | https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.10.002

浙大高超创办的杭州高烯科技有限公司已确认出席即将召开的第六届热管理产业大会暨博览会。如果对高超团队研究制备的石墨烯感兴趣的话，我们诚挚邀请大家来参加即将于12月3-5日在深圳举办的 2025第六届热管理产业大会暨博览会。参会者不仅能与高超团队展开深度技术交流，还能对接上下游产业链资源，把握石墨烯在热管理领域的商业化机遇。期待各位行业同仁莅临参与，共探热管理产业创新发展新方向。

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背景介绍

现代电子设备、防护装备等对高热导率（κ）聚合物复合材料的热管理需求日益迫切，但现有材料存在显著局限，传统填料性能不足，离散氧化物、碳纳米管等 κ<10 W/m・K；连续碳纤维复材 κ 仅≈500 W/m・K；3D 石墨烯网络复材 κ 仅 31.6 W/m・K；石墨烯材料瓶颈：石墨烯纤维增强复材的κ 最高 550 W/m・K，但需添加 > 30% 的耐热树脂（热阻相），降低热性能；纯石墨烯纸（GP）的κ 接近 2000 W/m・K，但机械强度仅～20 MPa，且易发生层间分离，无法实用化。核心挑战在于同时克服纯 GP 的机械不稳定性，且保留其高热导率，突破石墨烯块状复合材料的热导率上限。

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成果掠影

近日，浙江大学高超团队和东华大学孙宾、北京化工大学于中振、清华大学徐志平联合研究团队提出逆相增强（IPE）策略，以仅5.9% 的聚合物树脂作为增强相（非传统基体相），填充纯石墨烯纸（GP）的层间空隙并形成榫卯状二维聚合物；使制备的 IPE-GP 拉伸强度提升 117% 至 63.3±3.1 MPa，同时保留 1325±21.4 W/m・K 的高热导率（接近纯 GP 的 1398±13.0 W/m・K）；进一步通过层压工艺制备块状复合材料，创下802±10.9 W/m・K 的面内热导率纪录（超越此前石墨烯聚合物块状材料 <550 W/m・K 的上限）。该材料在 LED 散热（稳态温度 46℃，优于铝和环氧基板）和防护装备热保护（UHMWPE/IPE-GP 夹层稳态温度 52.9℃，远低于纯 UHMWPE 的 160.2℃）中表现优异，有效解决了石墨烯块状复合材料 “机械强度与热导率难以兼顾” 的核心挑战。研究成果“Strong graphene bulk composites with high thermal conductivity over 800 W/m·K”为题发表在《Advanced Nanocomposites》。

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图文导读

图 1 .通过逆相增强制备的高性能石墨烯纸。（a）中国传统榫卯结构木结构示意图。（b）从商用石墨烯泡沫制备 IPE-GP 的工艺包括三个步骤：压缩、树脂灌注和加压固化。（c）石墨烯纸中的 2DJT 结构可填补结构缺陷并避免 π-π 堆积的灾难性破坏。（d）具有逆相增强效应的石墨烯纸（IPE-GP，红线）和原始商用石墨烯纸（GP，蓝线）的整体机械性能和导热性能。

图2. IPE-GP的力学性能。（a-c）GP和IPEGP的力学测试曲线（1.9 g/cm 3，5.9%），在三种变形模式下：拉伸（a）、分层（b）和搭接剪切（c）。（d）密度为1.3原始GP的拉伸强度和KIc，1.6和1.9 g/cm³。（e）不同密度和树脂浓度下IPE-GP拉伸强度的演变。虚线表示根据Pukánszky模型的拟合值。模型中的参数B反映了各种组分之间的应力传递能力。

图3. IPE-GP的断裂机制分析。（a，b）GP（a）和IPE-GP（B）的断裂截面形态。比例尺为10 μm。（c）IPE-GP的失效示意图和SEM图像。填充树脂榫的建筑缺陷促进裂纹偏转并加强能量耗散以防止片材的灾难性滑动。比例尺为400 nm和4 μm。（d）In-GP的裂纹生长路径的原位SEM图像，显示出相对直的路径。比例尺为150 μm。（e）拉伸应变期间IPE-GP的裂纹生长路径的原位SEM图像，显示出曲折的生长过程。比例尺为150 μm。（f-h）耗散结构和裂纹抑制机制如裂纹分叉（f）的SEM图像，（i，j）GP（蓝线）和IPE-GP（红线）裂纹的扩展方向（i）和偏转角（j）。（k）GP和IPE-GP的单边缺口试验。

图4. IPE-GP的热性能。（a）与GP和铝箔相比，IPE-GP的红外图像和绘制的温度曲线。（b）IPE-GP的面内κ的演变。具有不同密度和树脂浓度的GP。插图是示意图，显示了石墨烯纸中不同树脂分布模式的不同热传输特性。虚线表示Agari平行线的拟合值模型[48]。（c）具有不同密度和树脂浓度的IPE-GP的面内α的演变。（d）作为具有相应密度的纯GP的百分比的IPE-GP的面内α，（e）IPE-GP和具有不同密度的GP的拉伸强度和热导率的比较。（f）IPE-GP和具有不同密度的GP的内部和内部的比较。在复合材料中，导电相（C相）代表具有较高导电率的相（通常为金属或碳材料），而电阻相（R相）代表具有较低导电率的相（通常为EP或其他聚合物）。

图5. IPE-GP块体层压材料。（a）由商业石墨烯泡沫按比例制备IPE-GP层压块体复合材料。块体材料中正方形样品的尺寸为3 × 3 cm。（b）具有横截面形态的IPE-GP块体的照片和SEM图像。重量的总重量为100 g。比例尺为20 μm。（c）IPE-GP的拉伸（红色）和弯曲（蓝色）强度（1.9g/cm³，5.9%）和GP散装。(d)IPE-GP的面内（红色）和面外（蓝色）导热率（e）用于LED（1 W）散热基板的异形IPE-GP块体的器件原型。（f）用于散热的IPE-GP基板与EP基板相比的红外图像。（基于丙烯酸酯树脂，通常用于印刷电路板）。（g）相应的温度曲线图。

图6. UHMWPE/IPE-GP热防护复合材料层压板。（a）IPE-GP在警用装备中的热防护效果示意图。（b）高温穿刺装置示意图。（c）两个样品正面和背面的穿刺损伤。比例尺为0.5 cm。（d）IPEGP/超高分子量聚乙烯复合材料与超高分子量聚乙烯层压材料在穿刺试验中的散热性能比较，数字为杆头与样品前表面的相对位置（mm），0 mm表示杆头刚好接触样品表面。（e）相应的温度曲线，实线表示中心温度，虚线表示样品边缘的温度，如插图所示。