北京大学Shulin Bai课题组--高导热3D打印石墨烯填充的聚合物复合材料用于可扩展的热管理领域

高效热传输对于热管理领域非常有利。3D打印和二维（2D）材料的结合，比如石墨烯，BN等可能实现分级排列结构编程。在这项工作中，形成了不对称排列结构，即石墨烯填充的热塑性聚氨酯（TPU）复合材料，该过程是通过3D打印实现的。在石墨烯含量为45 wt％时，所打印的垂直结构展示了贯穿平面的热导率（TC），高达12 W m-1 K-1，该性质约为水平打印结构的8倍，并超过许多传统粒子增强聚合物复合材料。如此优异的TC主要归功于各向异性的结构设计，即石墨烯的最佳取向度和多尺度致密结构。有限元方法（FEM）证实了各向异性TC设计对高导热复合材料的本质影响。

Figure 1. （a）石墨烯/TPU细丝的合成示意图。（b）石墨烯/TPU复合材料的典型FDM印刷工艺，包含挤压（i）和沉积（ii）工艺。

Figure 2.（a）从0.4 mm喷嘴挤出的微丝示意图，（b）从0.4 mm喷嘴挤出的40 wt％石墨烯/TPU微丝的横截面形态，和（c-e）放大图像，显示大多数石墨烯片从表面突出。（f）石墨烯/TPU复合材料的复数粘度与频率的关系。（g）石墨烯/TPU复合材料的储能模量。

Figure 3.（a）TP和（b）IP样品在不同石墨烯含量时的二维WAXS模式。（c）比较了不同样品的一维XRD模式。（d）相应的方位角积分强度分布图。（e）赫尔曼斯定向参数f与石墨烯含量的函数关系。（f）从z方向入射的X射线示意图。（g-i）所打印的细丝的SEM图像。

Figure 4. TP1和TP2样品的（a）全平面热导率和（b）热扩散率。（c）TP1和TP2样品的热量传导路径示意图。（d）计算的孔隙率。15％TP1样品的（e）左侧和（f）右侧SEM图像。（g）面板f中放大的石墨烯的有序堆积结构。

该研究工作由北京大学Shulin Bai课题组于2021年发表在ACS Nano期刊上。原文：Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications。