北京理工大学宇航学院力学系Chao Li等--纳米填料长径比对石墨烯-聚合物纳米复合材料导热系数的双重作用理论

长期以来，石墨烯纳米填料极低的厚度-长度比(长径比)一直被认为对石墨烯-聚合物纳米复合材料的整体导热性能有利，因为其创造了较大的比表面积和额外的声子传输通道。然而，有时长径比较低的纳米填料并不能产生预期的更高的热导率。为了解释这一现象，我们采用基于麦克斯韦远场匹配石墨烯非理想界面的有效介质近似，探讨了石墨烯纳米填料的长径比在有效导热系数中的双重作用。一方面，我们发现石墨烯热网络的开始仅依赖于长径比。较低的长径比倾向于促进热通道的建立。另一方面，我们发现石墨烯界面热系数与长径比之间存在持久的指数关系，而与基体材料无关。较低的长径比会导致较高的界面热阻，从而可能导致较低的有效导热系数。在这一理论框架下，这两种效应是相互竞争的。讨论了第二种效应的产生原因，在长径比小于0.01的情况下，第二种效应是不能忽略的。这一双重作用理论通过大量实验观察得到了证实。

图1. (a)石墨烯-聚合物纳米复合材料体系的示意图，(b)高度扁圆形球状石墨烯填料周围有薄夹层，(c)石墨烯纳米填料的几何参数，以及(d)用红色标记的石墨烯-石墨烯接触区域。

图2.C1与石墨烯填料的长径比α的关系。

图3. 含有纳米填料M₅、M₁₅和M₂₅的GNP-聚碳酸酯纳米复合材料的热导率：理论结果与实验数据之间的比较。

 图4. 含有纳米填料M₅、M₁₅和M₂₅和H₅ 的GNP-聚碳酸酯纳米复合材料的热导率：理论结果与实验数据的比较。

 图5. 分别使用含有纳米填料M₁₅和H₁₅的GNP-环氧纳米复合材料的导热系数：理论结果与实验数据的比较。

 图6. 得到了石墨烯-环氧纳米复合材料中石墨烯的热界面系数随纳米填料长径比的变化。

图7. 得到了较宽基体-材料光谱的石墨烯纳米复合材料中的石墨烯热界面系数随着纳米填料长径比的变化(环氧，聚碳酸酯，硅，石蜡，聚乙烯)。

相关研究成果由北京理工大学宇航学院力学系Chao Li等人于2021年发表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103453)上。原文：A dual-role theory of the aspect ratio of the nanofillers for the thermal conductivity of graphene-polymer nanocomposites。