中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所王振洋團隊根據(jù)“3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計-激光界面工程-跨尺度性能調(diào)控”設(shè)計思路，開發(fā)出具有高各向異性導熱比、高光熱/電熱轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。
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(shù)，實現(xiàn)了石墨烯定向排列，設(shè)計了石墨烯增強熱塑性聚氨酯與純熱塑性聚氨酯構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，評估了石墨烯增強熱塑性聚氨酯雙層結(jié)構(gòu)的定向?qū)岷蛢嵝Ч?。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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的完整性，暴露與重構(gòu)了石墨烯網(wǎng)絡(luò)，形成了增強熱塑性聚氨酯碳化層并調(diào)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率。
這一工作結(jié)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(yīng)用提供新的解決方案。
相關(guān)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。
