近期，中国科学院合肥尊龙凯时固体所王振洋研究团队根据“3D打印结构设计-激光界面工程-跨尺度性能调控”的设计思路，开发出具有高各向异性导热比、高光热/电热转换效率同时兼具良好疏水性与机械性能的石墨烯/聚合物复合材料双层结构。相关研究成果发表在Carbon和Chemical Engineering Journal上。

石墨烯是一种由sp²杂化碳原子构成的二维材料，其独特的电子结构不仅使碳原子排列成蜂窝状，还赋予了石墨烯优异的热导性和电导性。同时石墨烯还展现出显著的热导率各向异性。在面内（IP）方向，石墨烯晶格中的强共价键促进了声子在碳原子间高效传递。由于碳原子间强相互作用，声子传输近乎无阻，从而使面内热导率达1000～3000 W/(m·K)。但在通平面（TP）方向，相邻层间微弱的范德华力引发显著的声子散射，导致跨层传热效率急剧下降，使其面外热导率仅约5 W/(m·K)。此外石墨烯在太阳光谱宽域范围内呈现的强吸收特性使其成为一种典型的光热材料。

为了充分利用石墨烯片的各向异性导热性能，研究团队首先通过双喷嘴熔融沉积成型（FDM）3D打印技术实现了石墨烯的定向排列并设计了石墨烯增强热塑性聚氨酯（G-TPU）与纯热塑性聚氨酯（N-TPU）构成的双层结构，评估了G-TPU/N-TPU双层结构的定向导热及储热效果。研究发现，较大尺寸的石墨烯因其形成的连续导热路径而增强了面内导热性能。上层G-TPU复合材料IP方向上导热率为4.54 W/(m·K)，约为TP方向热导率的6倍，且N-TPU底层进一步提升了该性能，使得G-TPU/N-TPU双层结构呈现出约8的各向异性导热比。

为了进一步提升复合材料各向异性导热性能，团队采用激光诱导处理了3D打印的石墨烯增强热塑性聚氨酯（G-TPU/N-TPU）双层结构。研究发现，激光处理保留了复合物中的石墨烯片的取向和双层结构的完整性，同时暴露与重构了石墨烯网络，形成了TPU碳化层并调控其缺陷态，显著提升了各向异性导电性（R_TP/R_IP从1.45×10⁶增至2.47×10⁷）和各向异性导热比（TC_IP/TC_TP增至9.1）。激光处理分解聚合物基体后，在复合材料表面形成的微尺度结构与粗糙表面提高了材料表面疏水性（接触角从88°增至约120°），使入射光发生多次反射以延长光程，显著增强了光热转换效率。

该工作结合有限元分析和分子动力学模拟，分析并优化了熔融沉积成型打印模型与激光处理分解聚合物过程，有望为飞行器机翼表面和建筑物外墙天线光伏板的除冰防冰等应用提供全新的解决方案。

上述工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622325000399?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725032255

图1.FDM 3D打印的G-TPU/N-TPU双层结构及其各向异性导热比。

图2.激光诱导处理后LI-G-TPU/N-TPU双层结构的性能提升。