编辑推荐：
在高功率电子系统热管理中，石墨烯薄膜面内热导率（K⊥）提升困难。研究人员通过控制氧化石墨烯（GO）热还原并嵌入多壁碳纳米管（MWCNTs）进行研究。优化后，MWCNT - 石墨烯薄膜室温下K⊥达 23.28 W m?1 K?1 ，为热管理设计提供指导。
在现代科技飞速发展的时代，高功率电子设备广泛应用于各个领域，从智能手机到高性能计算机，从电动汽车到航空航天设备。这些设备在运行过程中会产生大量热量，如果不能及时有效地散热，不仅会影响设备的性能和稳定性，还可能缩短设备的使用寿命，甚至引发安全问题。就好比汽车发动机，如果散热系统出现故障，发动机就会过热，导致零部件损坏，汽车无法正常行驶。
在众多散热材料中，石墨烯薄膜因其优异的热学性能备受关注。理论上，理想单层石墨烯薄膜具有超高的面内（K∥≈5000W m?1 K?1）和一定的面内（K⊥≈10 W m?1 K?1）热导率 。然而，在实际制备过程中，以氧化石墨烯（GO）为原料制备的石墨烯薄膜却面临诸多问题。GO 在热还原过程中，含氧官能团分解，会使层间距扩大、结构致密性减弱，间接影响面内热导率（K⊥） ，限制了其在热管理领域的应用。就像搭建的积木，中间的连接松动了，整体的稳定性和性能也就大打折扣。
为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于通过控制 GO 薄膜的热还原过程，并将多壁碳纳米管（MWCNTs）巧妙地嵌入石墨烯层间，来提升石墨烯薄膜的面内热导率（K⊥） 。经过一系列严谨的实验和深入的研究，他们取得了令人瞩目的成果。优化热还原工艺和 MWCNTs 负载量后，制备的 MWCNT - 石墨烯薄膜在室温下的面内热导率（K⊥）达到 23.28 W m?1 K?1 ，这一数值是原始石墨烯的 4.82 倍 。该研究成果对于高功率电子系统的热管理设计具有重要意义，为开发先进的热管理材料提供了新的思路和方法，就像为热管理领域打开了一扇新的大门，让我们在解决电子设备散热问题上有了更有力的武器。这一研究成果发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员开展此项研究时，运用了几种关键技术方法。首先，采用改良的 Hummer’s 法合成 GO 溶液，并通过真空自组装法制备 GO 薄膜 。其次，利用热重分析（TGA）在较低加热速率（1 ～ 6 °C min?1）下研究 GO 薄膜的热还原行为 。最后，使用扫描电子显微镜（SEM）对测试后的样品进行形貌分析 。
制备 GO 薄膜
研究人员先采用改良的 Hummer’s 法合成了实验所需的 GO 溶液 。随后，选用 40 mL 本团队制备的均匀分散的 GO 水溶液（约 2 mg mL?1） ，将其用超纯水稀释 5 倍，接着进行 30 min 的超声处理，确保 GO 更好地分散。最后，对得到的溶液进行真空过滤，成功制备出 GO 薄膜。
热还原和形貌表征
为深入探究 GO 薄膜的热还原行为，研究人员进行了 TGA 测试。测试结果显示，在约 80 °C 和 180 °C 时，GO 薄膜出现明显失重 。80 °C 时的质量损失率约为 12%，这主要是由于石墨烯表面吸附的物理水的流失 。在 180 °C 左右，薄膜失重更为显著，这是 GO 热分解导致的。之后，研究人员对测试后的样品进行 SEM 分析，进一步观察薄膜热还原后的形貌变化。
通过以上研究，研究人员发现，适中的热还原速率（3 °C min?1）有助于避免 GO 过度的形貌演变 。均匀嵌入的 MWCNTs 网络就像桥梁结构，能有效修复石墨烯中的点缺陷，显著降低层间界面热阻 。经过热还原工艺和 MWCNTs 负载量的优化，MWCNT - 石墨烯薄膜的面内热导率（K⊥）得到大幅提升。
研究结论表明，通过控制 GO 薄膜的热还原过程，选择合适的热还原速率（约 3 °C min?1），可以有效控制 GO 薄膜的缺陷密度和致密程度 。同时，在相邻石墨烯层间均匀嵌入 MWCNTs，能够为声子传输搭建桥梁，极大地促进声子传输，进而显著提高石墨烯薄膜的面内热导率（K⊥） 。
此项研究加深了人们对 GO 热还原过程的理解，为设计具有卓越面内热管理能力的先进石墨烯复合薄膜提供了宝贵的指导。它不仅在理论上丰富了我们对石墨烯材料热学性能调控的认识，还在实际应用中为高功率电子系统的热管理设计提供了可靠的实验数据和技术支持。相信在未来，基于这项研究成果，会有更多性能优异的热管理材料问世，为电子设备的高效运行保驾护航。
