5G與人工智能技術(shù)推動(dòng)電子設(shè)備向輕量、高功率及多功能發(fā)展，導(dǎo)致其內(nèi)部窄小空間內(nèi)熱量快速積聚，嚴(yán)重影響設(shè)備工作穩(wěn)定性和使用壽命。高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料能高效導(dǎo)出熱量，解決散熱難題。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因柔韌、易加工和化學(xué)穩(wěn)定性好，常用作導(dǎo)熱復(fù)合材料的基體，但其本征導(dǎo)熱系數(shù)（λ）僅約0.20 W·m?¹·K?¹，難以滿足高性能電子器件的散熱需求。添加高導(dǎo)熱填料是提升PDMS導(dǎo)熱性能的主要途徑。常用填料包括金屬、陶瓷和碳材料。其中碳納米管和石墨衍生物因長徑比大，易于搭接形成導(dǎo)熱通路，提升效果顯著。但簡單共混易致填料分布不均、界面熱阻高，限制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成與性能提升。近年研究通過構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)（如冷凍干燥、3D打印、自犧牲模板法）來優(yōu)化填料分布與連通性，其中自犧牲模板法具有加工簡便、模板易去除、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整等優(yōu)點(diǎn)。草酸作為模板材料，在160℃可完全升華且尺寸可控，為構(gòu)建可控三維網(wǎng)絡(luò)提供了理想條件。
圖1. 導(dǎo)熱GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料的制備示意圖。
解析：
圖示性質(zhì)：此處“Schematic diagram”譯為“示意圖”，表明該圖并非實(shí)際照片，而是對(duì)制備過程的簡化、概念性圖示，用于清晰展示材料制備的步驟與原理。
內(nèi)容核心：圖中應(yīng)呈現(xiàn) GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料 的制備流程，可能包括 GO與f-CNTs的復(fù)合、基于草酸模板的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 以及 PDMS基體填充固化 等關(guān)鍵步驟。
關(guān)聯(lián)上下文：該圖對(duì)應(yīng)文中“EXPERIMENTAL”部分的實(shí)驗(yàn)流程描述，是理解自犧牲模板法構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)這一核心方法的重要視覺輔助。
術(shù)語說明：
GO@f-CNTs：“線-面”異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料，指功能化碳納米管（f-CNTs）化學(xué)接枝于氧化石墨烯（GO）表面形成的復(fù)合導(dǎo)熱填料。
PDMS：聚二甲基硅氧烷，作為柔性聚合物基體。
該標(biāo)題明確指出了圖的類型與主題，為讀者提供了理解后續(xù)實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果的基礎(chǔ)視覺指引。
圖2. GO@f-CNTs的（a）SEM圖及（b）TEM圖；（c，c'）石墨、GO、CNTs、f-CNTs與GO@f-CNTs的XPS譜圖；（d）傅里葉變換紅外光譜及（e）X射線衍射譜圖。
解析：
圖示結(jié)構(gòu)：該圖由多組子圖構(gòu)成，分別從 形貌 與 結(jié)構(gòu)/成分 兩方面系統(tǒng)表征了GO@f-CNTs填料及其前驅(qū)體。
形貌表征：
（a）SEM（掃描電子顯微鏡）：展示材料的表面形貌與微觀結(jié)構(gòu)。
（b）TEM（透射電子顯微鏡）：提供更高分辨率的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合等信息，可直觀驗(yàn)證f-CNTs在GO表面的負(fù)載情況。
成分與結(jié)構(gòu)表征：
（c，c'）XPS（X射線光電子能譜）：用于分析材料的表面元素組成、化學(xué)態(tài)及官能團(tuán)。譜圖（c）為全譜，顯示各材料的特征元素峰；窄譜（c'）對(duì)C 1s峰進(jìn)行精細(xì)分峰擬合，可證實(shí)GO與f-CNTs之間發(fā)生了化學(xué)鍵合（如O=C=O峰消失，N-C=O峰出現(xiàn)）。
（d）FT-IR（傅里葉變換紅外光譜）：通過特征吸收峰識(shí)別材料中的特征官能團(tuán)（如—OH、C=O、—NH?等），進(jìn)一步驗(yàn)證化學(xué)修飾與接枝反應(yīng)的成功進(jìn)行。
（e）XRD（X射線衍射）：反映材料的晶體結(jié)構(gòu)、層間距與有序度。通過對(duì)比不同材料的衍射峰位置與強(qiáng)度，可分析石墨氧化、功能化及復(fù)合過程對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響（如GO層間距增大、GO@f-CNTs中GO特征峰減弱等）。
整體意義：該圖通過多種表征手段的交叉驗(yàn)證，全面證實(shí)了 “線-面”異質(zhì)結(jié)構(gòu)GO@f-CNTs填料的成功制備，為其后續(xù)構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)并顯著提升復(fù)合材料導(dǎo)熱性能提供了關(guān)鍵的 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 與 機(jī)理證據(jù)。
圖3. 草酸（a–a?′′′）、GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)（b–b?′′′）以及GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料（c–c?′′′）的SEM圖像。
解析：
圖示構(gòu)成：該圖由三組子圖系列組成，分別對(duì)應(yīng) 模板材料（草酸）、導(dǎo)熱骨架（GO@f-CNTs網(wǎng)絡(luò)）及最終復(fù)合材料（GO@f-CNTs/PDMS），按制備流程順序呈現(xiàn)。
各系列子圖意義：
（a–a′′′）草酸：展示不同尺寸草酸顆粒的形貌與尺寸分布，其均勻性與可控性直接影響后續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。
（b–b′′′）GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)：呈現(xiàn)以草酸為自犧牲模板構(gòu)建的三維網(wǎng)絡(luò)骨架的截面形貌，圖中應(yīng)能看到由GO@f-CNTs填料相互連接形成的多孔結(jié)構(gòu)，且孔洞尺寸隨草酸模板尺寸變化，驗(yàn)證模板去除后網(wǎng)絡(luò)保持完整。
（c–c′′′）GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料：展示PDMS基體填充網(wǎng)絡(luò)孔洞后的復(fù)合結(jié)構(gòu)，應(yīng)觀察到填料網(wǎng)絡(luò)被PDMS充分浸潤、界面結(jié)合良好且無明顯孔洞或缺陷。
表征重點(diǎn)：
模板作用可視化：通過對(duì)比（a）與（b），直觀體現(xiàn)草酸作為造孔模板在形成三維連通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。
網(wǎng)絡(luò)完整性：（b）系列證明GO@f-CNTs網(wǎng)絡(luò)在模板去除后未發(fā)生坍塌或破損。
復(fù)合材料致密性：（c）系列驗(yàn)證PDMS成功填充網(wǎng)絡(luò)空隙，獲得結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合材料，這是保證高熱導(dǎo)率與力學(xué)性能的基礎(chǔ)。
研究關(guān)聯(lián)：該圖直接支撐文中關(guān)于 “草酸尺寸影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能” 的討論，為圖4中導(dǎo)熱系數(shù)隨模板尺寸變化的趨勢(shì)提供了 形貌依據(jù)，并從微觀上解釋了最佳模板尺寸（0.24?mm）的由來。
圖4. 草酸尺寸 (a)、GO@f-CNTs用量 (b)、測(cè)試溫度 (c)、加熱循環(huán) (d) 對(duì)GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響；GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料表面溫度隨時(shí)間變化曲線 (e)；不同聚合物基復(fù)合材料λ增強(qiáng)效果的對(duì)比 (f)；以及60 vol% GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料的紅外熱成像圖 (g)。
解析：
整體結(jié)構(gòu)：該圖是全文的核心數(shù)據(jù)匯總圖，通過7個(gè)子圖（a-g）系統(tǒng)展示了復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響因素、宏觀熱管理表現(xiàn)及性能優(yōu)越性。
各子圖功能解析：
(a) 草酸尺寸效應(yīng)：揭示模板尺寸對(duì)λ的影響趨勢(shì)（先增后減），為文中選擇0.24 mm為最佳尺寸提供數(shù)據(jù)支撐，并關(guān)聯(lián)圖3的形貌解釋（孔洞尺寸與缺陷控制）。
(b) 填料用量效應(yīng)：展示λ隨填料體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律（先增后減），確定60 vol%為最佳用量，并對(duì)比隨機(jī)分散填料凸顯三維網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。
(c) 溫度依賴性：對(duì)比純PDMS與復(fù)合材料λ隨溫度變化的差異，從聲子散射機(jī)制角度解釋填料晶體結(jié)構(gòu)與基體非晶態(tài)對(duì)導(dǎo)熱行為的貢獻(xiàn)。
(d) 熱循環(huán)穩(wěn)定性：證明復(fù)合材料在500次熱循環(huán)后λ偏差僅~3%，突出其優(yōu)異的熱可靠性，滿足電子器件長期使用需求。
(e) 表面溫升曲線：通過實(shí)際加熱平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，直觀展示不同填料含量復(fù)合材料的傳熱速度差異，驗(yàn)證高λ（60 vol%）帶來的快速熱響應(yīng)能力。
(f) 性能對(duì)比：將本研究（GO@f-CNTs/PDMS）與其他文獻(xiàn)報(bào)道的聚合物基復(fù)合材料進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，凸顯本工作所構(gòu)建的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在提升λ方面的顯著優(yōu)越性。
(g) 紅外熱成像：可視化60 vol%復(fù)合材料在加熱過程中的表面溫度分布均勻性，直接證明三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)在空間上的有效構(gòu)建與熱擴(kuò)散的均勻性。
圖表聯(lián)動(dòng)：該圖與圖3（形貌）、圖5（模擬）形成“結(jié)構(gòu)-性能-機(jī)理”的完整證據(jù)鏈，共同闡釋了自犧牲模板法構(gòu)建可控三維網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱、高熱穩(wěn)定PDMS復(fù)合材料的關(guān)鍵作用。
圖5. 純PDMS (a) 以及含有不同孔徑（0.11 mm (b)、0.24 mm (c)、0.30 mm (d) 和 0.41 mm (e)）GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料的有限元分析。
解析：
圖旨與性質(zhì)：該圖為 有限元分析（FEA）模擬結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，通過數(shù)值模擬方法，從 微觀傳熱機(jī)理 層面，對(duì)比了純PDMS與不同孔徑三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)過程。
模擬內(nèi)容：
（a）純PDMS：作為對(duì)照組，模擬其低導(dǎo)熱特性下的熱擴(kuò)散過程，預(yù)計(jì)熱量傳遞緩慢且分布不均。
（b–e）不同孔徑網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料：模擬了GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)孔徑（由草酸模板尺寸決定）對(duì)熱量在復(fù)合材料中傳遞 效率與均勻性 的影響。
關(guān)聯(lián)與驗(yàn)證：
與圖4(a)數(shù)據(jù)呼應(yīng)：模擬結(jié)果將直觀展示為何在特定孔徑（0.24 mm，對(duì)應(yīng)圖4(a)中最佳λ）下，熱流傳遞效率最高、高溫區(qū)域面積最大，從 熱流路徑與溫度場(chǎng)分布 角度解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中λ隨孔徑“先增后減”的趨勢(shì)。
與圖3形貌關(guān)聯(lián)：模擬中假設(shè)的理想化孔洞結(jié)構(gòu)與圖3(b)中實(shí)際網(wǎng)絡(luò)形貌相對(duì)應(yīng)，將形貌特征（孔洞尺寸、網(wǎng)絡(luò)連通性）與傳熱性能（導(dǎo)熱效率、溫度均勻性）進(jìn)行 機(jī)理關(guān)聯(lián)。
研究意義：該圖超越了實(shí)驗(yàn)表征，通過 理論模擬 揭示了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)（此處為孔徑）對(duì)復(fù)合材料整體導(dǎo)熱性能的調(diào)控機(jī)制，闡明了 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（減少缺陷、平衡界面與連通性） 是獲得高熱導(dǎo)率的關(guān)鍵，為材料設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。
本研究結(jié)合氧化石墨烯與功能化碳納米管，制備“線-面”異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料，并基于草酸自犧牲模板法構(gòu)建三維可控導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，最終制備出高導(dǎo)熱GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料，旨在實(shí)現(xiàn)PDMS導(dǎo)熱性能的顯著提升。成功通過自犧牲模板法制備了可控的GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，并通過澆鑄法制備了相應(yīng)的導(dǎo)熱GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料。當(dāng)草酸尺寸為0.24 mm、GO@f-CNTs體積分?jǐn)?shù)為60 vol%時(shí)，GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料具有最佳的導(dǎo)熱系數(shù)（λ，4.00 W·m?¹·K?¹），遠(yuǎn)高于同等含量隨機(jī)分散填料的GO/f-CNTs/PDMS復(fù)合材料的λ（2.44 W·m?¹·K?¹）。微觀熱傳導(dǎo)的有限元分析表明，由直徑為0.24 mm的草酸構(gòu)建的GO@f-CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)具有最佳的導(dǎo)熱效率。同時(shí)，所獲得的GO@f-CNTs/PDMS復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在500次熱循環(huán)（20–200°C）后其λ偏差僅為約3%。https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-024-3098-4
該文獻(xiàn)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：
1、創(chuàng)新性填料設(shè)計(jì)：
采用化學(xué)接枝法制備了 “線-面”異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料（GO@f-CNTs）。該結(jié)構(gòu)通過共價(jià)鍵將功能化碳納米管（f-CNTs）接枝到氧化石墨烯（GO）表面，有效降低了填料-填料與填料-基體之間的界面熱阻，并充分發(fā)揮了GO（二維平面）與f-CNTs（一維線狀）在熱傳導(dǎo)上的協(xié)同效應(yīng)。
2、創(chuàng)新的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑方法：
提出并成功應(yīng)用了 基于草酸的自犧牲模板法，構(gòu)建了 孔徑與結(jié)構(gòu)可控的三維GO@f-CNTs連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
草酸作為模板的優(yōu)勢(shì)：其尺寸易控，且在160°C可完全升華（固-氣轉(zhuǎn)變），實(shí)現(xiàn)了模板的 完全、潔凈去除，避免了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的損傷，保證了三維網(wǎng)絡(luò)的完整性與高連通性。
3、優(yōu)異的綜合性能與明確的優(yōu)化機(jī)理：
獲得了同時(shí)具備 高導(dǎo)熱、高熱穩(wěn)定性和良好結(jié)構(gòu)完整性 的PDMS復(fù)合材料。在最佳條件下（60 vol%填料，0.24 mm模板），導(dǎo)熱系數(shù)（λ）高達(dá) 4.00 W·m?¹·K?¹，是純PDMS的20倍，且比同含量隨機(jī)分散填料復(fù)合材料（2.44 W·m?¹·K?¹）提升64%。
通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與 有限元模擬相結(jié)合，明確了 模板孔徑（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)） 對(duì)導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律（先增后減），并揭示了其微觀機(jī)理：孔徑過小導(dǎo)致界面過多、聲子散射嚴(yán)重；孔徑過大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壁厚不均、缺陷增多。0.24 mm為最佳孔徑，實(shí)現(xiàn)了界面與連通性的最佳平衡。
4、方法學(xué)的通用性啟示：
本研究提供了一種 “異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料設(shè)計(jì) + 自犧牲模板法構(gòu)建可控三維網(wǎng)絡(luò)” 的通用策略范式。該策略可潛在拓展至其他填料體系（如BNNS、Al?O?等）和聚合物基體，為高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備提供了新思路。
核心創(chuàng)新總結(jié)：本文的核心創(chuàng)新在于 將化學(xué)鍵合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料與物理模板導(dǎo)向的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑法巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了填料在基體中的 定向排列與高效連通，從而在微觀上最大限度降低了熱阻，在宏觀上顯著提升了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能與可靠性。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
