石墨烯纳米片尺寸调控对复合相变材料热物理性能的协同优化机制

针对纳米增强相变材料(NePCMs)热导率与黏度难以协同优化的难题，中国科学院研究人员系统研究了四种不同尺寸石墨烯纳米片(GNPs)对正二十烷基相变材料热物理性能的影响。研究发现GNPs的纵横比显著影响导热网络形成效率，低纵横比GNPs可提升热导率(最高达253%)，而黏度变化符合修正Batchelor模型。该研究为平衡NePCMs热传输与流动性能提供了GNPs几何参数设计依据。

　　

随着全球对碳中和目标的追求，相变材料(PCMs)因其在相变过程中近乎恒温的吸/放热特性，成为航空航天、新能源储能等领域的热管理关键材料。其中正二十烷因其38-40℃的相变温度与高相变焓(200-300 kJ/kg)，特别适合电子设备被动热管理。然而有机PCMs普遍存在热导率低的致命缺陷——液态仅0.2 W/(m?K)，固态0.4 W/(m?K)，严重制约热传输效率。传统解决方案如添加银纳米颗粒虽能提升热导率至0.8754 W/m?K，却会大幅降低相变焓。碳基纳米材料中，石墨烯纳米片(GNPs)因其二维平面结构形成的声子传输网络和较低界面热阻，展现出比碳纳米管(CNTs)更优的性能提升潜力：热导率提升达100%-150%，黏度仅11.5 mPa?s。但现有研究对GNPs几何参数(片径与厚度)的协同影响机制尚未阐明，特别是当纳米片尺寸减小时，既可能因增大比表面积而增强导热，又可能因加剧团聚而增加黏度，形成性能优化的矛盾点。

中国科学院团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，通过系统比较四种不同尺寸GNPs(C_1-5
、C_3-10
、C_4-20
、C₃₀
)增强的正二十烷NePCMs，揭示了尺寸效应与热物理性能的构效关系。研究采用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征GNPs形貌，通过Hot Disk热导仪和旋转流变仪分别测量固-液两相热导率与黏度，结合Nan模型和修正Batchelor模型进行理论验证。样本制备采用超声分散法将不同浓度GNPs(0.5-5wt%)均匀分散于正二十烷基质。

Dimension and structure analysis of GNPs
SEM显示四种GNPs平均片径为2.36-7.35 μm，其中C_1-5
分布最窄(0-4 μm)，C₃₀
最宽(2-14 μm)。AFM证实厚度与供应商标注相符，C_1-5
仅1-2层石墨烯(0.55-1.1 nm)，而C₃₀
达30层(10.5 nm)。拉曼光谱的I_D
/I_G
峰比表明C_1-5
缺陷密度最高，这与小尺寸纳米片边缘效应相关。

Thermal conductivity enhancement mechanism
固态热导率提升幅度(35-150%)显著高于液态(20-100%)，归因于固态基质中GNPs更紧密的接触。实验数据与Nan模型高度吻合，揭示液态界面热阻比固态高一个数量级。值得注意的是，中等尺寸C_3-10
(7.35 μm直径，3-10 nm厚)表现出最优导热性能，其纵横比(约1000)最利于形成三维导热网络而非二维平面堆叠。

Viscosity behavior and cluster formation
黏度增长呈现临界浓度效应：低于2wt%时符合Einstein模型，超过后则遵循修正Batchelor模型。C_1-5
因小尺寸效应导致粒子间距缩短，范德华力促使团簇形成，使5wt%样品黏度激增300%。相比之下，C₃₀
因较大厚度减弱了粒子相互作用，相同浓度下黏度仅增加120%。

Phase-change enthalpy variation
所有NePCMs相变焓降低5-12%，主要源于GNPs和分散剂的"稀释效应"。DSC曲线显示相变温度区间拓宽0.5-1.5℃，反映纳米粒子对晶体生长的抑制作用。

该研究证实GNPs尺寸调控是平衡NePCMs热导率与黏度的关键：中等纵横比(直径7μm级，厚度10nm级)的GNPs能协同优化热传输网络形成与流动性能。这一发现突破了"越小越好"的传统认知，为工程应用中GNPs的精准选型提供了理论依据。研究还建立了界面热阻与物态的定量关系，修正了高浓度纳米流体的黏度预测模型。未来工作可进一步探索GNPs表面功能化对界面热阻的调控机制，以及多尺度填料(如GNPs/CNTs杂化)的协同增强效应。