一步限域水热法制备石墨烯纤维的导热性能_董建宏.pdf

以氧化石墨烯水悬浮液为原料,采用一步限域水热法制备了石墨烯纤维(G F s)。使用瞬态电热技术(T E T)测得直径为2 5.1、9 7.3和1 3 4.4m石墨烯纤维样品的热扩散率分别为6.0 0、2.9 0、2.2 61 0-7m2s-1,相应的导热系数分别为0.5 8、0.2 8和0.2 2Wm-1K-1,明显低于湿法纺丝制备的G F s的导热系数。导热系数低主要归因于大量含氧官能团的存在以及较大的接触热阻。样品的导热系数随直径的增大而减小,原因可能是直径较大的石墨烯纤维内部氧化石墨烯(GO)/石墨烯薄片具有更多的褶皱以及较差的取向性。【关键词】瞬态电热技术;导热系数;一步限域水热法;石墨烯纤维中图分类号:T B 3 8 3 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 1 0T h e r m a lC o n d u c t i v i t yo fG r a p h e n eF i b e r sF a b r i c a t e db yO n e-s t e pD i m e n s i o n a l l y-c o n f i n e dH y d r o t h e r m a lM e t h o dD O N GJ i a n h o n g,L I NH u a n,L IB i n,G U OJ i n g t a o(S c h o o l o fE n v i r o n m e n t a l a n dM u n i c i p a lE n g i n e e r i n g,Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Q i n g d a o2 6 6 5 2 0,C h i n a)【A b s t r a c t】G r a p h e n ef i b e r s(G F s)w e r ef a b r i c a t e df r o ma q u e o u sg r a p h e n eo x i d es u s p e n s i o n su s i n go n e-s t e pd i m e n s i o n a l l y-c o n f i n e dh y d r o t h e r m a lm e t h o d.T h e t h e r m a l d i f f u s i v i t yo f g r a p h e n e f i b e r s a m p l e sw i t hd i a m e t e r s o f 2 5.1,9 7.3a n d1 3 4.4ma r ed e t e r m i n e da s6.0 0、2.9 0a n d2.2 6 1 0-7m2s-1b yt r a n s i e n te l e c t r o-t h e r m a lt e c h n i q u e(T E T),a n d t h e c o r r e s p o n d i n g t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i s 0.5 8,0.2 8a n d0.2 2Wm-1K-1,r e s p e c t i v e l y.T h e i r t h e r m a lc o n d u c t i v i t y i s s i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n t h a t o fG F sp r e p a r e dv i aw e t s p i n n i n gm e t h o d.T h e l o wt h e r m a l c o n d u c t i v i t y i sm a i n l ya t t r i b u t e d t ot h ee x i s t e n c eo f r e s i d u a lo x y g e n a t e df u n c t i o n a lg r o u p sa n dl a r g et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e.T h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h es a m p l ed e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fd i a m e t e r.I t i sd u et ot h a t t h eg r a p h e n ef i b e r sw i t hl a r g e rd i a m e t e r sh a v em o r ew r i n k l e s a n d l e s so r i e n t a t i o n i nG O/g r a p h e n e s h e e t s.【K e y w o r d s】T r a n s i e n te l e c t r o-t h e r m a lt e c h n i q u e;T h e r m a lc o n d u c t i v i t y;O n e-s t e p d i m e n s i o n a l l y-c o n f i n e dh y d r o t h e r m a lm e t h o d;G r a p h e n e f i b e r收稿日期:2 0 2 1-0 8-0 6;修订日期:2 0 2 1-1 2-3 0基金项目:国家重点研发计划基金资助项目(2 0 1 9 Y F E 0 1 1 9 9 0 0);山东省自然科学基金资助项目(Z R 2 0 2 0 ME 1 8 3)作者简介:董建宏(1 9 9 5),男,硕士,研究方向:微尺度传热。E-m a i l:7 9 8 0 8 4 2 5 2q q.c o m。通信作者:林 欢(1 9 8 3),女,博士,副教授,研究方向:低维材料导热性能研究以及微纳米尺度光热测量新技术的开发和应用。E-m a i l:l i n h u a n q u t.e d u.c n。1 前 言 石墨烯的蜂窝状晶格中平整地排布着一层碳原子,独特的组成结构使其拥有非同寻常的导热性能1、导电性能2及弹性性能3等,这使得石墨烯相关的衍生材料成为各领域的研究热点4。尽管受到众多学者的追捧,但石墨烯在微观上的“超能力”始终难以在宏观材料(如纤维、薄膜)上得到发挥。作为石墨烯重要的衍生宏观材料,石墨烯纤维有着相比石墨烯薄膜和块体更好的柔韧性5、灵活性、轻质性6等优点,在超级电容器7-8、传感器9、电极材料1 0-1 1、医疗用品1 2等领域都得到了一定应用。人们对这种新兴材料的研究充满热情,开发了多种制备方法。X u等1 3将含水的氧化石墨烯液晶通过湿法纺丝技术连续纺丝成米级宏观石墨烯纤维,然后进行化学还原,首次得到导电性高、力学性能好的整齐宏观石墨烯纤维。J a n g等1 4采用电泳自组装技术制备了无聚合物、无表面活性剂的石墨烯纤维,得到的纤维表现出较高的场发射性能。D o n g等1 5开发了一步限域水热法,开创了水热法制备石墨烯纤维的先河。石墨烯纤维的应用潜力尚未被充分挖掘,其在导热性能方面的发展同样被寄予厚望。X i n等1 6报道了具有高导热、导电性的石墨烯纤维的制备,并通过28 0 0的热退火处理,实现了高达12 9 0 Wm-1K-1的导热性能。M a等1 7系统地研究了石墨烯纤维随温度变化(8 02 9 0K)的热电性能。如果逐步克服单层石墨烯在组装过程中 易产生弯曲 变形以及无 序堆叠等问题1 8,石墨烯纤维的性能必定会有更大地提升。便携式和可穿戴电子设备的不断发展对基于纤维设备的散热需求很高,石墨烯纤维作为一种极具应用价值的导热材料,其导热性能亟待探索研究。本研究采用瞬态电热(T E T)技术测量了一步限域水热法制备的石墨烯纤维样品的热扩散率,分析了造成不同直径样品导热性能差异的原因,并与湿法纺丝技术制备的石墨烯纤维样品的导热性能进行比较。2 实 验2.1 样品的制备 以氧化石墨水悬浮液为原料,采用一步限域水热法制备了石墨烯纤维。该方法操作简单、成本低且环保。采用玻璃管作为反应器。如图1所示,首先,将氧化石墨烯(G O)悬浮液(8m g/m L)注入不同内径(0.4、0.9和1.1mm)的玻璃管中。之后,用酒精灯加热使管子的两端密封。将它们放入2 3 0的鼓风干燥箱中2h。最后,将石墨烯纤维释放到蒸馏水中,用镊子将其夹起。在空气中干燥后,制备出具有不同直径的石墨烯纤维。图1 石墨烯纤维的制备F i g.1 P r e p a r a t i o no fg r a p h e n e f i b e r s在加热还原之前,带负电荷的含氧官能团为GO各片层之间提供了稳定的静态排斥力,从而使GO均匀分布于溶液中。当GO片层在一定温度下被还原时,由于含氧官能团的去除就会变得区域性疏水,局部疏水的还原GO片材会倾向于聚集。此外,剩余含氧官能团之间的氢键产生的相互吸引作用也会导致还原GO片层的聚集1 9。由于被限制在管道空间内,在还原过程中产生的毛细管力和重力的共同作用下,管内的片层逐渐向内部聚集并最终在管道底部沉积成管道几何形状的纤维状态。在空气中干燥后,石墨烯薄片会密集堆积,形成具有相对取向的层状结构,这归因于干燥过程中剧烈的径向收缩使石墨烯薄片产生自发取向并沿轴向对齐1 3。2.2 样品的表征 能量色散X射线光谱仪(E D X)的分析表明样品的主要成分为7 2.1 7%的C,2 1.6 5%的O,2.9 6%的S i以及0.6 8%的N a。使用扫描电子显微镜(S EM)对制备材料的形貌特征进行观察,从图2样品的S EM图像中可以发现大量褶皱结构。图2 不同放大倍数样品的S EM图像F i g.2 S EMI m a g e so fg r a p h e n e f i b e r s图3(a)为样品的X射线衍射图谱(X R D)。在2 3.5 3 处可以观察到一个明显的峰值,即碳材料的0 0 2衍射峰。根据公式d0 0 2=/2 s i n,其中为波长,为衍射角,计算出样品在该方向上碳层之间的晶格间距d0 0 2为0.3 7 81n m。理想石墨晶体的碳层间距为0.3 3 54n m,氧化石墨的d0 0 2为0.6 5 0.7 5n m2 0。L i u等2 1制备的木质素基碳纤维的d0 0 2为0.3 7 8n m,P A N基碳纤维的d0 0 2为0.3 3 95 0.3 5 3n m2 2,在这两种碳纤维中都被证明存在氧化石墨,因此推测本实验样品中存在G O。从图3(b)所示的石墨烯纤维的拉曼光谱图中进一步确定实验样品的主要组成成分。从图可见,在13 4 6和15 8 8c m-1处有两个很明显的峰,分别是碳材料的D峰和G峰。D峰的强度ID用来表示碳材料结构的紊乱程度,G峰的强度IG用来表示碳材料的石墨化程度。D峰和G峰的强度比ID/IG可以综合表征碳材料结构的缺陷程度。其值越大说明材料结构的缺陷密 度 越 大。从 拉 曼 图 中 可 以 明 显 观 察 到D峰504第4 1卷第3期董建宏,等.一步限域水热法制备石墨烯纤维的导热性能 图3 石墨烯纤维的X R D图谱(a)和拉曼光谱(b)F i g.3(a)X R Dp a t t e r na n d(b)R a m a ns p e c t r u mo fg r a p h e n e f i b e r s要比G峰更为强烈。与石墨的拉曼图相比,其ID/IG要大得多,且位于27 0 0c m-1处的2 D峰基本可以忽略。这说明石墨烯的六边形结构受到破坏,导致2 D峰被抑制,表明本实验石墨烯纤维微观结构的缺陷密度较大2 3。该峰值特点与GO的拉曼图十分相似2 3,这也表明石墨烯纤维样品含有大量的GO。结合E D X、X R D及拉曼图的综合分析,推测石墨烯纤维样品的主要组成成分为独立存在的GO,且样品存在较大的结构缺陷。2.3 热输运特征2.3.1 实验原理 利用T E T技术对不同长度和直径的 石 墨 烯 纤 维 样 品 的 热 扩 散 系 数 进 行 测 量。T E T技术被广泛应用于测量微米和纳米尺度的一维材料的热扩散率()、热导率(k)以及比热(cp),这些材 料 可 以 是 半 导 体、导 体 和 绝 缘 体2 4。图3为T E T测试实验原理图。石墨烯纤维样品被银胶黏合固定在电极上使样品悬浮在基底上,然后将基底置于真空腔体的真空环境中,再对样品通入阶跃式直流电流。样品通入电流后,电流产生的焦耳热会使样品温度上 升。温升与热扩 散系数之间 具有如 式(1)所示的关系。实验过程样品的温升是很难直接获取的。由于样品温度变化会引发样品电阻变化,最终会导致样品电压发生相应变化。由此可知,样品电压与样品温度之间存在内在关联,因此,T E T实验过程中样品电压随时间的变化曲线(V-t)会被示波器记录下来,最终通过样品电压的变化得到样品的一系列热扩散系数。样品平均归一化温升理论值的表达式如下:T*(t)=9 64m=11-e x p-(2m-1)22e f ft/L2(2m-1)4cp(1)式中:T*(t)是样品平均归一化温升的理论值,t是时间,e f f是样品的有效热扩散系数,L是样品的长度。样品的归一化 平 均 温 升 被 定 义 为T*(t)=(Tt-T0)/(Tt-T0),Tt为不同时刻的样品温度值,T0为样品的初始温度,Tt为样品的稳态温度。样品的归一化温升的实验值T*e x p通过样品电压的变化来表示:T*e x p=V*e x p=(Vs a m p l e-V0)/(Vs t e a d y-V0),其中V*e x p为实验过程中样品的归一化电压值,Vs a m p l e为样品的电压值,V0为样品的初始电压,Vs t e a d y为样品的稳态电压。样品的一系列热扩散率通过V-t的曲线得到,将一系列值代入式(1),将T*(t)与T*e x p进行拟合,拟合最好的那个值作为样品的有效热扩散系数e f f,最后结合试样的密度和比热,可以得到样品的有效导热系数,即ke f f=e f fcp。图4 T E T实验原理图F i g.4 S c h e m a t i co f t h eT E Te x p e r i m e n t2.3.2 实验细 节 实验中 对三组样品 直径为2 5.1、9 7.3和1 3 4.4m的石墨烯纤维分别标号样品1、2、3,且每组样品有三种不同的长度也分别标号为-1、-2、-3,具体见表1。实验设备主要由真空镀膜仪(Q u o r u m Q 1 5 0 T S)、微 电 流 源(I n f i n i i V i s i o nD S O-X3 0 5 2 A)和数字示波器组成。整个实验过程中样品一直被置于真空镀膜仪的腔体中,腔体内为高度真空环境(空气压力小于11 0-3m B a r),由此可忽略604材料科学与工程学报2 0 2 3年6月对流传热对实验造成的影响,仅考虑热传导和热辐射效应。通过微电流源向样品施加阶跃电流使得样品温度上升。实验过程中样品的V-t曲线由示波器记录。保存下来的实验数据经过程序拟合计算后得到样品的有效热扩散系数。以样品2-2为例,图5中的插图为样品在电子显微镜下的图像。由于样品的长度远大于直径,所以本实验采用的是一维传热模型。样品被通入电流后温度迅速上升。由于石墨烯纤维的电阻温度系数为负数,所以样品电阻会随着样品温度的上升而下降,导致样品的电压随时间的变化呈现出如图所示的曲线。样品电压随加热时间的延长迅速下降到稳态电压,随后一直保持稳定。在焦耳加热的过程中,因为样品的温升很小,所以样品的电阻温度系数被视为常数。2.3.3 热辐射效应的去除 实验测得的样品的有效热扩散系数包含样品的真实热扩散系数和样品的辐射效应两部分,它们之间的表达式如下:e f f=r e a l+1cp1 6r T3a v e2L2D(2)式中:r e a l是样品真实热扩散系数;r是样品表面的有效热发射率,r=0.8 52 5;=5.6 71 0-8W/m2K4为斯蒂芬玻尔兹曼常数,Ta v e为样品在T E T测试过程中的平均温度;L为样品长度;D为样品直径;为样品密度;cp为样品比热容。式(2)表明,有效热扩散率与辐射项存在线性关系。通过对不同长度样品的e f f进行线性拟合,可以消除热辐射对测量结果的影响,最终得到样品的真实热扩散率。如图6(a)所示,以直径为2 5.1m的样品1为例,对具有不同长度样品1-1、样品1-2和样品1-3的e f f进行线性拟合,延长拟合线交y轴于一点,该 图5 由示波器记录的电压随时间的变化曲线(插图是连接在两个电极之间的G F样品2-2的电子显微镜图像)F i g.5 V o l t a g ea g a i n s t t i m ep r o f i l er e c o r d e db yt h eo s c i l l o s c o p e.(T h e i n s e t i sm i c r o s c o p e i m a g eo fG Fs a m p l e2-2c o n n e c t e db e t w e e nt w oe l e c t r o d e s)点的y值6.0 01 0-7m2s-1即为样品1的r e a l。采用相同的办法得到其他样品的r e a l。3 结果与讨论3.1 不同直径条件下的实验结果 实验对三种不同直径的石墨烯纤维样品的热扩散率进行测量,分别被标记为S 1、S 2和S 3,每种样品均有3个不同的长度,共计测量了9个样品的e f f,测量结果如表1所示。从表可见,样品的r e a l的数值范围为2.2 66.0 01 0-7m2s-1,kr e a l大小范围为0.2 20.5 8Wm-1K-1。其中S 1的r e a l和kr e a l最大,S 3的r e a l和kr e a l最小。同一直径下样品的长度越长,其有效热扩散率越大。由式(2)可知,这是因为在相同直径条件下,样品 图6(a)样品1、(b)样品2、(c)样品3对应于不同L2的有效热扩散系数的线性拟合F i g.6 L i n e a r f i t t i n go f e f f e c t i v e t h e r m a l d i f f u s i v i t yc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tL2f o r(a)s a m p l e1,(b)s a m p l e2,a n d(c)s a m p l e3704第4 1卷第3期董建宏,等.一步限域水热法制备石墨烯纤维的导热性能表1 三组G F样品的实验结果T a b l e1 E x p e r i m e n t a l r e s u l t so f t h r e eg r o u p so f s a m p l e sS a m p l e i n d e xL/mD/mT u b eD/mme f f(1 0-7m2s-1)r e a l(1 0-7m2s-1)kr e a l(Wm-1K-1)1-118 8 1.3 9.8 21-211 6 7.52 5.10.47.8 46.0 00.5 81-37 9 9.26.4 52-126 7 1.46.4 32-219 7 0.19 7.30.95.3 62.9 00.2 82-35 1 3.22.8 43-117 8 0.25.5 13-29 6 5.11 3 4.41.13.8 62.2 60.2 23-36 2 4.42.1 8长度越长,辐射对样品的有效热扩散率影响越大。不同直径样品的热扩散系数及导热系数不同。如图7所示,样品的真实热扩散系数及真实导热系数随着样品直径的增大而减小。湿状态下的石墨烯纤维直径较大,在经过干燥后其长度可保持不变但直径方向上会因水分损失导致剧烈收缩,毛细作用力迫使GO/石墨烯薄片向内收缩并屈曲成褶皱结构。这种现象在直径较大的样品中更为明显,从而导致直径较大的样品中GO/石墨烯薄片有更严重的褶皱结构存在。声子的传播在这些褶皱的平面受到相当大的阻力,对材料宏观热性能十分不利。此外,随着玻璃管直径的变小,GO薄片的取向性也会得到一定程度的改善2 6。制备出较小直径的石墨烯纤维中的GO/石墨烯薄片的排列更加规则。这就造成直径大的样品有相对多的褶皱和更差的取向性,从而导致导热性能的下降。图7 三组不同直径样品的热扩散系数和导热系数F i g.7 T h e r m a l d i f f u s i v i t ya n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h r e eg r o u p so f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s3.2 不同制备方法下的石墨烯纤维导热性能 在之前利用T E T技术测得湿法纺制技术制备的石墨烯纤维的导热系数为1.1 6 Wm-1K-12 7,高于本实验中采用一步限域水热法制备的石墨烯纤维的导热系数。如表2所示,即使在相似直径水平下,湿法纺制方法制得的纤维也比一步限域水热法制备的石墨烯纤维的导热系数高。能谱仪(E D S)分析显示其主要成分为C(6 8.4 5%)、O(2 3.1 7%)、C a(3.2 4%)和S(2.4 3%)2 7,表明GO仍是样品中的主要成分。结合图8(a)可以看出在2 =2 4.2 5 处有明显尖而窄的峰,对应的层间距是0.3 6 7n m,要稍小于水热法制备的石墨烯纤维的层间距,表明在还原过程中含氧官能团的去除效果更好,氧化石墨烯的还原程度更高。对比图8(a)、(b)其S EM图像,可以看到湿法纺丝制备的石墨烯纤维中具有清晰的石墨烯层状结构,其内部的石墨烯薄片在排列取向和堆叠次序上要优于本次实验所制得的石墨烯纤维,且无论是褶皱数量还是皱缩程度都明显要少一些。从拉曼光谱图(图8 b)中也可以发现,湿法纺丝制备的纤维的ID/IG明显要更大,表明其内部具有更高的石墨化程度,片层排列较规则,可以为声子提供一个更理想的输运条件以提高热传导的效率。相较于还原程度,规则的排列取向也是导热性能增强的重要原因,湿法纺丝制备的石墨烯纤维具有更佳的排列取向,因此推测与材料的制备方法有关。在湿法纺丝的过程中分散的GO薄片由于在纺丝喷嘴处受到强剪切力的诱导,从而可以沿着纤维的轴向进行有序的取向和排列.在后续制备的纤维中,GO/石墨烯薄片的排列会更有规则。在湿法纺丝纤维干燥的过程中通过对纤维进行连续拉伸,最终纤维大概能获得2 0%左右的拉伸率2 8。获得拉伸的纤维内部GO/石墨烯薄片会有更少的褶皱以及更紧密的排列,由此改善了纤维的导热性能。本实验中的石墨烯纤维密度为1.3 5g/c m3,低 于 常 规 石 墨 烯 纤 维 的 密 度(1.71.9g/c m3)2 9。可见其在致密性上存在很大差距,这与纤维在干燥过程中失水形成过多褶皱有关。此外,在之前通过湿法纺丝制备的石墨烯纤维中含有较多的C a(3.2 4%),而C a离子可以通过与剩余氧基团形成配位键来桥接还原的石墨烯薄片2 9,这就使得相邻层之间的相互作用得到增强,可能会增加平面外振动对热量传输的贡献,最终获得更好的导热性能。3.3 导热性能降低的原因 石墨烯材料的导热系数范围非常大,其导热性能变化的原因较为复杂。理想的单层石墨烯的导热系数804材料科学与工程学报2 0 2 3年6月 表2 湿法纺丝与一步限域水热法制备石墨烯纤维的对比研究T a b l e2 Ac o m p a r i s o ns t u d ya g a i n s t g r a p h e n e f i b e r f a b r i c a t e db yw e t s p i n n i n ga n do n e-s t e ph y d r o t h e r m a lm e t h o dP r e p a r a t i o nm e t h o dD/mr e a l(1 0-7m2s-1)kr e a l(Wm-1K-1)W e t-s p i n n i n g2 2.4 32 0.4 01.1 6O n e-s t e pd i m e n s i o n a l l y-c o n f i n e dh y d r o t h e r m a lm e t h o d2 5.16.0 00.5 8图8 湿法纺丝技术制备的石墨烯纤维的(a)X R D图谱1 3和(b)拉曼图谱2 7(c)、(d)石墨烯纤维的S EM图像2 7F i g.8(a)X R Dp a t t e r na n d(b)R a m a ns p e c t r u mo f t h eG F sp r e p a r e dv i aw e t s p i n n i n gm e t h o d;(c)a n d(d)S EMi m a g e so f t h eG F s高达53 0 0Wm-1K-13 0,而其宏观组装材料的导热性能却差强人意。导热性能主要是取决于石墨烯的内部结构,任何结构上的改变都可能对整体的导热性能产生巨大影响。本研究主要从含氧官能团、接触热阻的角度探讨石墨烯纤维导能性能下降的原因。首先,根据E D S和拉曼光谱的结果可以发现,石墨烯纤维样品中含有大量含氧官能团和其他化学元素。氧原子和石墨烯层的碳原子形成共价键会破坏石墨烯的共轭结构,从而减小了声子的平均自由程,根据导热系数的经典模型:k=C l,C是比热;是声子群速度;l是声子平均自由程。显然,声子平均自由程的减小会使导热系数降低。键的形变造成的有效缺陷尺寸比杂质原子本身要大得多。氧含量很高时,石墨烯结构中的氧基团甚至可以彼此接近,形变区域重叠,从而进一步增大缺陷尺寸。本实验的石墨烯纤维样品含氧量为2 1.6 5%。在氧的覆盖率达到2 0%时,石墨烯的导热系数会下降9 7%3 1。其他杂质粒子及缺陷的存在无疑也扭曲了晶格的正常排序,从而阻挠了声子在石墨烯平面内的传播,甚至会干扰相邻平面的声子传播。此外,制备石墨烯纤维其实是一个在单轴方向上连续并规则地排列石墨烯薄片的过程,但实际上获得排列整齐的石墨烯薄片是不可能的。石墨烯纤维是由数以千计微小尺度的GO和石墨烯薄片堆叠和连接在一起的,加上本实验样品中GO/石墨烯薄片的取向性主要取决于干燥过程中毛细管诱导的剪切力和表面张力诱导的拉力的影响1 5,其内部排列得不到良好保障。可想而知,这些排列混乱的薄片之间会产生相当大的接触热阻,造成强烈的声子-边界散射从而对沿面内方向的热传输造成很大的影响。此外,在干燥过程中由于层与层之间的引力和整体亲水性的降低,薄片容易聚集,从而使GO/石墨烯薄片上形成大量褶皱。这些褶皱会使声子的传播效率大大降低,并最终反映在材料的宏观导热性能上。904第4 1卷第3期董建宏,等.一步限域水热法制备石墨烯纤维的导热性能4 结 论 本研究采用简单环保的一步限域水热法制备了石墨烯纤维,并对它的导热性能进行了研究分析。测得的石墨烯纤维的导热系数为0.2 20.5 8Wm-1K-1。样品的导热性能随直径的增大而下降,原因是在干燥过程中,直径较大的样品会因失水剧烈收缩而产生更多褶皱以及内部G O/石墨烯薄片更差的取向性。由于制备工艺的不同,本实验样品在结构上相比湿法纺丝制备的石墨烯纤维有更多的缺陷,其导热性能下降更加严重。大量含氧官能团和杂质原子的存在及较大的接触热阻是导致材料导热性能下降的主要原因。本研究为石墨烯基热管理设备的研究与应用提供了理论基础,为后续制备高导热宏观石墨烯组装材料提供了实验与理论经验,有利于促进石墨烯基材料的发展与应用。参考文献1 余杰,曾洪亮,温业成,等.石墨烯增强铜基复合材料的研究进展J.材料科学与工程学报,2 0 2 1,3 9:1 6 7-1 7 3.2 Z HU Y W,MUR A L IS,C A I W W,e ta l.G r a p h e n ea n dg r a p h e n eo x i d e:s y n t h e s i s,p r o p e r t i e s,a n da p p l i c a t i o n sJ.A d vM a t e r,2 0 1 0,2 2:3 9 0 6-3 9 2 4.3 L E ECG,WE IXD,KY S A RJW,e ta l.M e a s u r e m e n to f t h ee l a s t i cp r o p e r t i e sa n di n t r i n s i cs t r e n g t ho fm o n o l a y e rg r a p h e n eJ.S c i e n c e,2 0 0 8,3 2 1:3 8 5-3 8 8.4 韩瑜,周晶,薛涛,等.石墨烯的功能化及其水泥基复合材料的研究进展J.材料科学与工程学报,2 0 2 1,3 8(2):3 3 0-3 3 7.5 L IP,L I U YJ,S H ISY,e ta l.H i g h l yc r y s t a l l i n eg r a p h e n ef i b e r sw i t hs u p e r i o rs t r e n g t ha n dc o n d u c t i v i t i e sb yp l a s t i c i z a t i o ns p i n n i n gJ.A d v a n c e d F u n c t i o n a l M a t e r i a l s,2 0 2 0,3 0:2 0 0 6 5 8 4.6 C HE NP,P E N G H.H i g h-p e r f o r m a n c eg r a p h e n ef i b e r se n a b l e db yh y d r a t i o nJ.A C SC e n t r a lS c i e n c e,2 0 2 0,6:1 0 4 0-1 0 4 2.7 YAN GZP,J I AY H,N I U YT,e ta l.O n e-s t e pw e t-s p i n n i n ga s s e m b l yo f t w i s t i n g-s t r u c t u r e dg r a p h e n e/c a r b o nn a n o t u b e f i b e rs u p e r c a p a c i t o rJ.J o u r n a lo fE n e r g y C h e m i s t r y,2 0 2 0,5 1:4 3 4-4 4 1.8 C HE N G H Y,L IQ,Z HU LL,e ta l.G r a p h e n ef i b e r-b a s e dw e a r a b l es u p e r c a p a c i t o r s:r e c e n ta d v a n c e s i nd e s i g n,c o n s t r u c t i o n,a n da p p l i c a t i o nJ.S m a l l M e t h o d s,2 0 2 1,5:2 1 0 0 5 0 2.9 UGA L EAD,UMA R J IGG,UN GSH,e ta l.Z n Od e c o r a t e df l e x i b l ea n ds t r o n gg r a p h e n ef i b e r sf o rs e n s i n gNO2a n dH2Sa tr o o mt e m p e r a t u r eJ.S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B:C h e m i c a l,2 0 2 0,3 0 8:1 2 7 6 9 0.1 0 WAN GK,F R EW I N CL,E S R A D,e ta l.H i g h-p e r f o r m a n c eg r a p h e n e-f i b e r-b a s e d n e u r a l r e c o r d i n g m i c r o e l e c t r o d e sJ.A d v a n c e dM a t e r i a l s i a l s,2 0 1 9,3 1:e 1 8 0 5 8 6 7.1 1 Z HAO S,L I G,T ONG C,e ta l.F u l la c t i v a t i o n p a t t e r nm a p p i n gb ys i m u l t a n e o u sd e e pb r a i ns t i m u l a t i o na n df MR Iw i t hg r a p h e n ef i b e re l e c t r o d e sJ.N a t u r eC o mm u n i c a t i o n s,2 0 2 0,1 1:1 7 8 8.1 2 Z HAO A,S HEJ,MANO JD,e ta l.F u n c t i o n a l i z e dg r a p h e n ef i b e rm o d i f i e db yd u a ln a n o e n z y m e:t o w a r d sh i g h-p e r f o r m a n c ef l e x i b l en a n o h y b r i dm i c r o e l e c t r o d e f o re l e c t r o c h e m i c a l s e n s i n g i nl i v ec a n c e r c e l l sJ.S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,2 0 2 0,3 1 0:1 2 7 8 6 1.1 3 XUZ,GAOC.G r a p h e n ec h i r a l l i q u i dc r y s t a l sa n dm a c r o s c o p i ca s s e m b l e df i b r e sJ.N a t u r eC o mm u n i c a t i o n s,2 0 1 1,2:5 7 1.1 4 J ANGEY,J AV I E RCG,A J E ONGC,e t a l.F i b e r s o f r e d u c e dg r a p h e n eo x i d en a n o r i b b o n sJ.N a n