01 背景介绍

随着现代电子器件向小型化、高集成度和高功率密度发展，热管理已成为一个重大挑战。设备运行过程中，在密闭空间内产生的热失控会影响设备的性能、可靠性和使用寿命，甚至对人体健康造成严重威胁。因此，将局部热点的多余热量有效地转移到外部环境是至关重要的。根据傅里叶定律，热传导量与材料的温度梯度和导热率成定量正比。与用于热管理的传统材料(例如，金属，陶瓷和碳材料)相比，石墨烯基聚合物纳米复合材料由于其潜在的高导热性，易于加工，优越的灵活性和极大的设计自由度而成为首要选择。此外，考虑到石墨烯的二维(2D)几何特性，石墨烯在聚合物基体中的取向和平面堆叠是提高复合材料导热性的关键。目前，将一维(1D)聚合物纳米纤维与二维导热填料结合使用被认为是最有效的方法之一，因为聚合物纳米纤维可以作为沿纤维轴连接填料平面的基本单元，从而能够有效地构建热通道。最近的报道通常涉及使用一维聚合物纳米纤维，如芳纶纳米纤维(ANFs)、聚对苯基苯并苯恶唑(PBO)纳米纤维和静电纺纳米纤维。尽管在改善纳米复合材料的传热性能方面取得了突破，但人们对其可持续性的担忧正在增加这些合成聚合物主要来源于石油化工产品，难以生物降解和循环利用。

02 成果掠影

近期，中国科学院苏州纳米所王锦等与东南大学孙正明/张培根团队合作针对开发具有优异隔热性的可穿戴气凝胶纤维织物取得最新进展。在此，本文通过蒸发诱导的自组装和随后的Fe³⁺交联策略，提出了由羧化纤维素纳米纤维和石墨烯纳米片组成的高性能石墨烯生物复合材料。Fe³⁺配位在稳定材料结构，从而提高生物复合膜的机械强度和水稳定性方面起着至关重要的作用，并通过密度泛函理论计算揭示了其作用。生物复合膜的分层结构还导致了42.5 W/mK的高面内导热系数，从而实现了优越的传热性能。此外，合成的生物复合薄膜具有优异的焦耳加热性能，具有快速的热响应和长期稳定性，提高了热稳定性和阻燃性。因此，这种总体策略和理想的生物复合膜的整体性能为功能性和安全性热管理提供了广阔的应用前景。研究成果以“High-Performance Graphene Biocomposite Enabled by Fe³⁺ Coordination for Thermal Management”为题发表于《ACS Applied Materials&Interfaces》。

03 图文导读

图1. CNF/GN-Fe生物复合膜的制备及结构表征，(a) CNF/ GN-Fe生物复合膜制备示意图。

图2. CNF/GN-Fe生物复合膜的力学性能和亲水性能。

图3. CNF/GN-Fe生物复合膜的导热性能。

图4. CNF/GN-Fe生物复合膜用于散热的应用。

图5. CNF/GN-Fe生物复合膜的焦耳加热性能。

图6. CNF/GN-Fe生物复合膜的热性能和阻燃性。

原文 | https://doi.org/10.1021/acsami.3c10894

信息来源：热管理材料

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。