中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所王振洋團隊根據“3D打印結構設計-激光界面工程-跨尺度性能調控”設計思路，開發(fā)出具有高各向異性導熱比、高光熱/電熱轉換效率兼具良好疏水性和機械性能的石墨烯/聚合物復合材料雙層結構。
為利用石墨烯片的各向異性導熱性能，研究采用雙噴嘴熔融沉積成型3D打印技術，實現(xiàn)了石墨烯定向排列，設計了石墨烯增強熱塑性聚氨酯與純熱塑性聚氨酯構成的雙層結構，評估了石墨烯增強熱塑性聚氨酯雙層結構的定向導熱和儲熱效果。研究發(fā)現(xiàn)，較大尺寸的石墨烯因形成的連續(xù)導熱路徑而增強面內導熱性能。上層石墨烯增強熱塑性聚氨酯復合材料IP方向上導熱率為4.54 W/(m·K)，約為TP方向熱導率的6倍，同時純熱塑性聚氨酯底層進一步提升了這一性能，使石墨烯增強熱塑性聚氨酯雙層結構呈現(xiàn)出約8的各向異性導熱比。
為提升復合材料各向異性導熱性能，研究采用激光誘導處理3D打印的石墨烯增強熱塑性聚氨酯雙層結構。研究發(fā)現(xiàn)，激光處理保留了復合物中的石墨烯片的取向和雙層結構的完整性，暴露與重構了石墨烯網絡，形成了增強熱塑性聚氨酯碳化層并調控其缺陷態(tài)，提升了各向異性導電性和各向異性導熱比。激光處理分解聚合物基體后，在復合材料表面形成的微尺度結構與粗糙表面提高了材料表面疏水性，使入射光發(fā)生多次反射以延長光程，增強了光熱轉換效率。
這一工作結合有限元分析和分子動力學模擬，研究并優(yōu)化了熔融沉積成型打印模型與激光處理分解聚合物過程，有望為飛行器機翼表面和建筑物外墻天線光伏板的除冰防冰等應用提供新的解決方案。
相關研究成果發(fā)表在《碳》（Carbon）和《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。
