迫切需要具有優異散熱能力和固有可持續性的新興生物復合材料來解決現代電子產品的冷卻問題和日益增長的環境問題。然而，基于生物質的材料的水分穩定性、機械性能、導熱性甚至阻燃性通常不足以用于實際的熱管理應用。在此，本研究通過蒸發誘導的自組裝和隨后的Fe
3+交聯策略，提出了一種由羧化纖維素納米纖維和石墨烯納米片組成的高性能石墨烯生物復合材料。Fe
3+配位在穩定材料結構、提高生物復合膜的機械強度和水穩定性方面發揮著關鍵作用，密度泛函理論計算揭示了其作用。生物復合膜的分級結構還導致42.5 W m
-1 K
-1的高平面內熱導率，從而實現卓越的傳熱性能。此外，所得生物復合材料膜表現出優異的焦耳加熱性能，具有快速的熱響應和長期穩定性，改善了熱穩定性和阻燃性。因此，這種通用策略和所需的生物復合膜的整體性能為功能和安全的熱管理提供了廣泛的應用前景。
圖1. CNF/GN-Fe生物復合膜的制備及結構表征。(a) CNF/GN-Fe生物復合膜制備示意圖。
(b) CNF/40% GN-Fe薄膜照片(中)及其截面(左)和表面形貌(右)的SEM圖像。(c,d) CNF/40% GN-Fe薄膜的截面(c)和表面(d)的高倍率SEM圖像以及相應的c, O和Fe的EDS元素圖。
(e) CNF- Fe和CNF/40% GN-Fe薄膜的XRD譜圖。(f) CNF/20% GN-Fe、CNF/40% GN-Fe和CNF/60% GN-Fe薄膜的拉曼光譜。(g,h) CNF、CNF/40% GN、CNF- Fe和CNF/40% GN- Fe薄膜的FTIR光譜。(i) CNF、CNF/40% GN、CNF- Fe和CNF/40% GN- Fe薄膜的XPS測量光譜。(j,k) CNF/40% GN (j)和CNF/40% GN- Fe (k)薄膜的XPS光譜。(l) CNF/40% GN-Fe薄膜的Fe 2p XPS光譜。
圖2. CNF/GN-Fe生物復合膜的力學性能和水穩定性。(a) CNF、CNF/40% GN、CNF- Fe和CNF/40%GN- Fe薄膜的拉伸應力-應變曲線和(b)相應的抗拉強度，(c)楊氏模量，(d)韌性。
(a)中的插圖顯示了CNF/40% GN-Fe薄膜的柔韌性。(e,f) CNF- Fe (e)和CNF/40% GN-Fe (f)薄膜斷裂截面的SEM圖像。(g) CNF/GN-Fe生物復合膜斷裂機理示意圖。(h) CNF/40% GN和CNF/40% GN- Fe薄膜在水中手動搖動后的照片。CNF/40% GN膜完全分解，而CNF/40% GN- Fe膜保持完整。(i) CNF/40% GN和CNF/40% GN- Fe薄膜表面水滴隨時間變化的照片和(j)相應的水接觸角。(k)基于DFT計算的CNF單元、GN單元或Fe
3+之間鍵合的能量優化幾何形狀。(l)計算了CNF-GN、CNF-Fe和CNF-GN- Fe模型體系的結合能。
圖3. CNF/GN-Fe生物復合膜的導熱性能。(a) CNF/GN- fe生物復合膜的面內和透面導熱系數(k)與GN含量的關系。(b) CNF/GN-Fe生物復合膜的導熱性增強(TCE)。TCE由(k - k
m)/k
m確定，其中k
m是聚合物基體的導熱系數。(c) CNF/GN-Fe生物復合膜的導熱各向異性(k
∥/k
⊥)。k
∥和k
⊥分別表示薄膜的平面內和平面內導熱系數。(d)基于實驗數據的CNF/GN-Fe生物復合膜的熱增強效率(k/k
f)與理論預測極限的比較。k
f為填料的導熱系數。(e) CNF/GN-Fe生物復合膜的k
∥與先前報道的纖維素復合膜的k
∥隨填料含量的變化比較。(f) CNF/GN-Fe生物復合膜與先前報道的纖維素復合材料的抗拉強度和k
∥的比較。(g) CNF-Fe和CNF/40% GN-Fe薄膜瞬態溫度分布的有限元模擬。(h)模擬平均頂面溫度與加熱時間的關系。(i)溫度對加熱時間的偏微分。(j)達到穩定溫升時間。
圖4. CNF/GN-Fe生物復合膜用于散熱的演示。(a) CNF- Fe和CNF/40% GN-Fe薄膜對LED芯片散熱的測試裝置示意圖。(b) LED芯片溫度隨工作時間的變化;(c)相應的熱紅外圖像。
(d) CNF- Fe和CNF/40% GN-Fe膜的面內傳熱示意圖。(e)薄膜溫度隨加熱時間的變化及(f)相應的熱紅外圖像。
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圖5. CNF/GN-Fe生物復合膜的焦耳加熱性能。(a) CNF/40% GN-Fe膜的電壓-電流曲線。插圖顯示了用于評估焦耳加熱性能的測試設置。CNF/40% GN-Fe薄膜在不同電壓下的溫度變化曲線(b)和電壓調節過程中的溫度變化曲線(c)。(d) CNF/40% GN-Fe薄膜在不同電壓下的熱紅外圖像。(e) CNF/40% GN-Fe膜在3-7 V下的循環加熱性能(f) CNF/40% GN-Fe膜在7 V恒定電壓下的長期溫度穩定性。插圖顯示了相應的熱紅外圖像。
圖6. CNF/GN-Fe生物復合膜的熱性能和阻燃性。(a) CNF- fe和CNF/40% GN-Fe薄膜的TGA和DTG曲線。(c)使用酒精燈燃燒CNF- Fe和CNF/40% GN-Fe薄膜的照片。(d) CNF、CNF/40% GN、CNF- Fe和CNF/40% GN- Fe薄膜的HRR曲線，(e) HRR
peak， (f) THR曲線，(g) THR值。(h) CNF/GN-Fe生物復合膜與其他典型材料的比較，包括商用熱敏墊、Al
2O
3陶瓷、CNF膜和CNF/BN復合材料。結果由每個特征的最大值歸一化。
相關研究成果由南京大學Yagang Yao等人2023年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c10894)上。原文：High-Performance Graphene Biocomposite Enabled by Fe
3+ Coordination for Thermal Management.
轉自《石墨烯研究》公眾號
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