北大白树林教授《ACS nano》：3D打印让石墨烯乖乖排列，成就高导热石墨烯基聚合物材料！

二维材料，例如石墨烯、氮化硼和二硫化钼等，具有优异的面内电和热传输特性，非常适合能源和电气应用。将二维材料组装成垂直排列的结构，对于需要高效传热的导热脂、相变材料等热界面材料（TIM）而言至关重要，这有利于提高器件的工作稳定性并延长使用寿命。因此，开发一种将二维材料沿优选方向排列的通用方法具有重要意义。

北京大学白树林教授等人提出了一种简便、经济的3D打印方法来制备石墨烯垂直填充的热塑性聚氨酯(TPU)复合材料。当石墨烯含量为45%时，打印出来的垂直排列结构展现出高达12 W m-1 K-1的贯穿面导热系数(TC)，这是水平结构的8倍，超过了许多传统的颗粒增强聚合物复合材料。优异的TC主要归功于各向异性结构设计，这得益于石墨烯良好的取向度和通过精细控制打印参数实现的多尺度致密结构。有限元法证实了各向异性TC设计对高热导复合材料的重要影响。该研究以题为“Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications”的论文发表在《ACS nano》上。

文章亮点：（1）作者报道了3D打印过程中石墨烯填充热塑性聚氨酯(TPU)复合材料的不对称排列结构的形成。在3D打印过程中，由于挤压产生的剪切力以及与基体(或下层)的压缩效应，石墨烯片在厚度方向上倾向于形成不对称的排列结构。SEM，XRD和WAXS结果验证了石墨烯片的排列，在每个挤出的微丝中均显示出平面排列和涡旋排列的分布。（2）高的TC主要归因于各向异性的结构设计，这得益于所有含量下石墨烯的优选取向度。此外，多尺度致密结构设计有效地保证了致密的结构，减少了孔隙并增强了界面附着力。（3）当将印刷的石墨烯/ TPU复合材料用作三种18650单体的电池组时，石墨烯/ TPU电池组的电池温度比纯TPU电池组的电池温度低5.7°C，这表明3D打印的石墨烯/ TPU复合材料具有显著的散热性能。而且该设计策略可以扩展到其他二维材料，以制造面向各种热、电和机械应用的分层对准结构。总之，该工作为开发3D打印石墨烯基聚合物复合材料提供了一种有效的方法，可用于可扩展的热相关应用，如电池热管理、电子封装等。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10768