石墨烯高導熱機理及其強化傳熱研究進展*

邢玉雷，徐 克，劉艷輝，張令品，齊春華

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

石墨烯是碳原子緊密排列成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，其單層厚度僅0.335nm，理論比表面積高達2630m2·g-1，具有高強度、高導熱導電和化學惰性等特點[1]，在電子、能源、化工、材料等領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應用前景。石墨烯作為二維sp2 鍵雜化的單層碳原子晶體，其低維結(jié)構(gòu)可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，并賦予其特殊的聲子模式，表現(xiàn)出更優(yōu)異的導熱特性，實驗測試其導熱系數(shù)高達5300W·mK-1[2]，已超越碳納米管、石墨等碳同素異形體的極限，更遠超銀和銅等金屬材料，在強化傳熱領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。石墨烯可以作為復合材料的添加劑來提高材料的熱學性能，制備納米流體來提高基礎(chǔ)流體的導熱性能，對材料進行表面修飾以強化相變和對流傳熱等[3]。比如，利用石墨烯來提高分子材料的熱導率就備受學術(shù)界和工業(yè)界的青睞，在解決超大規(guī)模集成電路的散熱方面頗具潛力[4]?；瘜W改性石墨烯可有效分散于水性或油性基液工質(zhì)中，利用自身的高導熱性能以及納米流體的對流傳熱強化效應或表面修飾效應[5]，提升換熱系統(tǒng)的整體傳熱效率。此外，石墨烯的化學惰性，還可保障傳熱元件在酸、堿、鹽霧等強腐蝕環(huán)境中的長期穩(wěn)定性[6]，更符合惡劣環(huán)境中的強化傳熱應用，例如海水淡化傳熱等。

本文通過綜述石墨烯高導熱機理、影響因素及其在強化傳熱領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進展，闡述和歸納了石墨烯熱傳輸模式、基底、溫度、應力、尺寸和結(jié)構(gòu)等因素對其高導熱特性的影響，論述了石墨烯在導熱、對流傳熱和相變傳熱領(lǐng)域的強化效應、機理和存在的問題，以期為石墨烯材料在工業(yè)強化傳熱領(lǐng)域的研究提供借鑒。

1 石墨烯高導熱機理

石墨烯依靠特殊的聲子模式進行熱傳輸，聲子是晶格振動簡正模能量量子，它以彈道-擴散的方式傳遞熱量[3，7]。石墨烯中參與熱量傳播的主要是3種聲學聲子，即低頻和高頻的LA（longitudinal acoustic mode）模、TA（transverse acoustic mode）模、ZA（flexural mode）模，前兩個是面內(nèi)傳輸模式，有著線性的散射關(guān)系，后一個是面外傳輸模式，存在非線性的二次散射關(guān)系[8，9]。對于大尺寸單層石墨烯，其導熱系數(shù)可由下式估算[8]：

其中 C、v、l 分別為聲子比熱，聲速和平均自由程。石墨烯具有高熱導率的主要原因是其碳碳之間的共價鍵強而碳原子質(zhì)量小，聲子具有較高的聲速[10]。溫度和尺寸是影響聲子比熱和平均自由程的兩大因素，聲子比熱隨溫度的升高而增大[11]。聲子熱傳輸模式和散射機制對石墨烯導熱系數(shù)有重要影響。

2001年，Klemens[12]指出石墨基面上的熱傳輸是近似二維的，頻率低于下界截斷頻率時，會出現(xiàn)強烈的橫穿基面的聲子模式，低能聲子模式對基面內(nèi)熱傳輸?shù)呢暙I被削弱，甚至可忽略不計，而石墨烯的熱傳輸是純二維的，沒有下界截斷頻率，而計及零頻率又會導致導熱系數(shù)無限增大，所以需要引入其他散射機制。2009年，Nika[13,14]采用Klemens 近似和第一性計算方法研究了石墨烯邊界散射和三聲子過程（N 和U 過程）散射，把限制聲子平均自由程作為散射機制，提出聲子平均自由程不能超過系統(tǒng)尺寸長度，從而可以計算出下界截斷頻率和導熱系數(shù)。Klemens 指出了二維石墨烯熱傳輸模式，而Nika 理論推導出了導熱系數(shù)計算公式，兩者的研究為掌握石墨烯導熱機理和傳熱特性奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于聲子模式對傳熱的貢獻，采用不同的研究方法得出的結(jié)論是不同的。傳統(tǒng)理論認為，LA 模和TA 模聲速較大，在熱傳輸中起主要作用，而ZA 模聲速趨向于零以及強烈的U 散射而對傳熱的貢獻較小[15]。三聲子N 過程動量守恒，不產(chǎn)生熱阻，而U過程動量不守恒，是產(chǎn)生熱阻的主要原因[10]。游佳斌[16]利用文獻[14]的數(shù)據(jù)擬合計算的LA 和TA 長波聲子群速分別為24.1 和18.4km·s-1，而ZA 模聲速接近于零，即使短波ZA 模聲速也較小，約為6km·s-1[17]。姚文俊研究發(fā)現(xiàn)[7]，熱脈沖能量在石墨烯中是以彈道-擴散的方式傳遞的，并且熱脈沖在石墨烯中只激發(fā)出了橫波和縱波。Nika 基于LA 模和TA模的聲子模式，在利用弛豫時間和長波近似方法提出了單層石墨烯導熱系數(shù)計算公式[14]：

2010年，Lindsay[18]和Seol[19]得出了與Nika、游佳斌等人相反的結(jié)論。Lindsay 認為ZA 模對傳熱的貢獻大于LA 模和TA 模的和，可占到75%。他通過嚴格求解聲子玻爾茲曼運輸方程得到了10μm 長的扶手型石墨烯帶導熱率的精確數(shù)值解，約3000 W·（mK）-1，而大頻率時ZA、TA 和LA 模的飽和傳熱系數(shù)分別為2600、520 和315W·（mK）-1。他將ZA 模貢獻大的原因歸結(jié)于以下兩點：（1）ZA 模的二次方色散關(guān)系呈現(xiàn)出其具有大的態(tài)密度；（2）垂直于平面的反射對稱性有力地束縛了ZA 模聲子散射的相空間，并且奇數(shù)個ZA 模時所有的三聲子過程均不會發(fā)生。Seol 通過玻爾茲曼運輸方程計算發(fā)現(xiàn)，ZA 模對導熱率的貢獻在300K 和100K 時分別為77%和86%[19]。Lindsay 認為相比于弛豫時間和長波近似，嚴格求解玻爾茲曼方程得到的導熱系數(shù)更準確。

由于石墨烯種類繁多以及性能的可調(diào)控性，采用不同研究方法對石墨烯導熱率進行計算和測量，得到的數(shù)值從幾百到幾千不等，關(guān)于石墨烯主導熱傳輸?shù)穆曌幽Ｊ揭泊嬖诓煌恼J識。石墨烯低溫晶格熱傳導的基本特征是導熱率隨著系統(tǒng)尺寸發(fā)散，并且受基底材料、溫度、應力、結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響，微觀尺寸的導熱研究面臨諸多困難，其熱傳輸理論尚待完善。

2 石墨烯導熱影響因素

2.1 基底界面

由于石墨烯只有一個原子厚，其熱工測量面臨諸多挑戰(zhàn)。2008年，Balandin[2]首次采用的非接觸共焦微拉曼光譜學法，利用石墨烯G 峰位置與溫度的強烈依賴關(guān)系，測量出懸空單層石墨烯導熱率，見圖1。該方法通過調(diào)節(jié)激光功率（δp）控制石墨烯局部溫升，并通過拉曼譜分析其G 峰位置變化（δω），從而得到δp 與δω 之間的依賴關(guān)系。

圖1 非接觸共焦微拉曼光譜學法實驗示意圖Fig.1 Schematic of non-contact confocal micro-Raman spectroscopy experiment

在室溫條件下，Balandin 測量的機械剝離制備的單層石墨烯導熱系數(shù)范圍4840～5300W·mK-1，推導出的熱導率計算公式為：

式中 L：石墨烯帶長度；W：寬度；h：厚度；χG：溫度系數(shù)（χG=δω/ΔT）。

上述研究忽略了空氣和SiO2的熱耗散，并假設(shè)兩端散熱石墨溫度恒定，且受限于拉曼技術(shù)的溫度敏感性，也未得出單層石墨烯聲子的K-T 變化關(guān)系。Seol[19]和蔡煒煒[20]等采用上述方法，測試的SiO2基底和Au/SiN 基底支撐的單層石墨烯導熱率分別為600、370W·（mK）-1，較懸空石墨烯的導熱率降低了一個數(shù)量級左右。這種導熱性能下降應與基底材料作用有關(guān)。Seol 研究認為，基底材料可誘導聲子從石墨烯面內(nèi)泄漏，并破壞了ZA 模的反射對稱性，從而產(chǎn)生強烈的ZA 模界面散射，導致導熱率下降[19]。Klemens 早前研究認為受支撐的石墨烯到基底材料的聲子泄漏會抑制低頻聲子的貢獻，使石墨烯熱導率下降20%-50%[12]。此外，石墨烯雜質(zhì)和缺陷會導致聲子散射，隨著雜質(zhì)濃度的增加，進而形成聲子的局域化，引起導熱率顯著下降[21]，比如摻雜1.1%13C 的石墨烯室溫下熱導率下降了10%～15%左右[18]?？梢姡绾沃苽涓咂焚|(zhì)大尺寸的石墨烯對于其高導熱應用是十分重要的。

2.2 溫度和應力

溫度對石墨烯導熱率影響顯著，在低溫區(qū)溫度升高會使晶格振動增強，聲子自由程增大，導熱率上升，而隨溫度的持續(xù)上升，聲子間非彈性散射增強，導熱率下降[22]。Seol 發(fā)現(xiàn)支撐石墨烯熱導率隨溫度上升先增大后減小，峰值出現(xiàn)在T=300K，認為300K 以下聲子散射主要由基底界面主導，300K 以上主要由U 散射主導；其計算表明即使是懸空的雙層石墨烯，受夾層界面的影響，ZA 模的貢獻亦會降低[19]。任亞杰研究表明在423～673K 范圍內(nèi)石墨烯的導熱率隨溫度升高而降低，認為溫度升高使聲子間的相互作用增強，原子偏離對平衡位置的振幅增大，以致聲子散射加劇，平均自由程減小，導熱率下降[23]。

對于傳統(tǒng)的三維材料，壓縮和拉伸應變可使體系的聲子模分別變硬和變軟,熱導率相應增加和降低，而對于石墨烯二維結(jié)構(gòu)，施加不同應變會產(chǎn)生不同的構(gòu)型，導熱率變化不同于三維材料。2012年，魏寧[24]指出石墨烯熱導率對拉伸應變敏感，對壓縮和扭曲應變具有魯棒性。拉伸應變會使聲子模軟化而且增加晶格的非諧振性，聲子散射和邊界不穩(wěn)定性增強，以致熱導率下降，比如之字形石墨烯帶拉伸應變20%，熱導率下降了60%。受力壓縮時，其二維結(jié)構(gòu)可以形成褶皺或拱形消減壓力，壓縮應變10%，熱導率僅下降5%。該研究對于納米尺度的熱管理很有用處，因為石墨烯熱應用一般會受到熱脹冷縮等應力影響。

2.3 微觀尺寸

尺寸是影響微觀尺度熱傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)，因為當薄膜尺寸小到可以和聲子平均自由程相比擬時，反映物質(zhì)能量運輸規(guī)律的物性參數(shù)如熱導率、比熱等會出現(xiàn)尺寸效應。Nika 計算的導熱率為2000～5000W·（mK）-1，并且單層石墨烯的熱導率隨線度尺寸的增大呈指數(shù)趨勢增長，線度尺寸越小，熱傳導對尺寸的依賴就越大[13]。當聲子的波長大于系統(tǒng)尺寸兩倍時就會被截斷，導致熱導率下降[24]。大尺寸條件下具有更長波長的聲頻聲子會增強熱傳輸，但傳熱系數(shù)不會無限增長，當尺寸增大到一定程度，邊界散射、缺陷散射等非本質(zhì)的散射機制會限制它的無限增長?？梢娢⒂^尺度物性參數(shù)嚴重依賴于線性尺寸，其熱傳導控制有一定難度，這也是納米尺度熱傳輸理論研究進展緩慢的原因之一。

垂直于石墨烯平面方向的熱流會受到層間范德華力的強烈限制[25]，導熱率很低，因為單層石墨烯聲子熱傳輸只受面內(nèi)的邊界散射限制，U 散射被抑制，而雙層石墨烯范德華力吸附界面會引起聲子消散[26]。2009年，Ghosh 等[27]從理論到實驗系統(tǒng)研究了石墨烯從二維尺寸增厚到三維尺寸過程中導熱系數(shù)和傳熱機制的變化。雖然從單層到雙層可用聲子支數(shù)目翻倍，但引起U 散射的聲子波矢相空間增加，聲子熱傳輸受到邊界散射和U 散射的雙重限制。其研究表明石墨烯從2 層增長到4 層，導熱系數(shù)從3000W·（mK）-1下降到1500W·（mK）-1?？梢?，厚度尺寸（層數(shù)）增大會引起導熱系數(shù)急劇下降，以致石墨烯基于微觀尺度的優(yōu)異導熱特性尚難以直接利用。將一維碳納米管與二維石墨烯嫁接形成宏觀三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有望突破微觀尺度的限制，并且可以調(diào)節(jié)傳熱的方向與大小[28]。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

石墨烯和碳納米管高導熱均具有各向異性，面向?qū)崧时让鎯?nèi)低2～3 個數(shù)量級，這一特征限制了其在三維導熱材料中的應用。將微觀尺度的石墨烯宏觀組裝形成三維材料，同時保持其納米效應是石墨烯規(guī)模化應用的重要途徑[29，30]。用碳納米管（CNTs）支撐多層石墨烯，形成碳基3D 框架結(jié)構(gòu)（圖2）材料，可以通過改變石墨烯夾層間距（ILD）和CNTs 間距（IJD）來調(diào)節(jié)石墨烯面內(nèi)和CNTs 軸向的導熱率大小[31]。軸向?qū)岬穆曌由⑸渲饕l(fā)生在石墨烯與CNTs 結(jié)點處，而石墨烯與CNTs 的sp2 鍵與碳原子是相同的，所以結(jié)點處聲子譜類似，聲子散射弱化，具有較低的界面熱阻[28]。Varshne 等人通過非平衡分子動力學模擬表明，提高CNTs 裝填密度（減小IJD，增大ILD），可以顯著地提高其軸向?qū)崧?，并且這種結(jié)構(gòu)可以裁剪成多維傳熱材料[32]。

圖2 碳納米管與石墨烯構(gòu)成的三維納米結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of a three-dimensional（3D）nanoarchitecture that combines carbon nanotube pillars and graphene sheets

2014年，山西煤化所研發(fā)出了高性能熱還原氧化石墨烯薄膜，即把一維的炭纖維作為結(jié)構(gòu)增強體，把二維的石墨烯作為導熱功能單元，通過自組裝技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)/ 功能一體化的炭/ 炭復合薄膜[33，34]。這種全炭薄膜厚度在10～200μm 可調(diào)，室溫面向熱導率高達977W·（mK）-1，拉伸強度超過15MPa。這項研究突破了石墨烯在強化傳熱應用中的導熱調(diào)控技術(shù)難題，朝著石墨烯三維材料強化傳熱的工業(yè)應用邁了一大步。但目前這種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復合材料制備還不成熟，大多研究還處在計算機理論模型或?qū)嶒炇译A段，比如還不能實現(xiàn)碳納米管在石墨烯層間的高取向分布，關(guān)于石墨烯/碳納米管復合材料的協(xié)同作用機制的理論研究還不夠深入[35]。

3 石墨烯強化傳熱研究

3.1 強化復合材料導熱性能

石墨烯熱導率高達5300W·（mK）-1，近來被提倡用于熱管理強化，比如集成電路散熱。超大規(guī)模集成電路的特征尺寸已步入納米范圍，功耗密度和發(fā)熱功率越來越高，那么封裝散熱就變得極為重要，否則會引起芯片“熱崩潰”，而封裝材料導熱率一般不超過0.5W·（mK）-1。將石墨烯填充到聚合物基體中可以制備高導熱性能的封裝復合材料，導熱性能遠遠優(yōu)于其他填料。比如在樹脂基體中添加30vol%的短纖維銅，復合材料的導熱率達到9W·（mK）-1[36]；添加16.7（vol）%的高度取向排列的CNT，復合材料軸向熱導率由0.29W·（mK）-1提高到4.87W·（mK）-1[37]；而添加33（vol）%石墨烯，復合材料的熱導率達到80 W·（mK）-1[4]。在一定的填充率下，石墨烯材料之間相互有效接觸，形成高導熱網(wǎng)絡，并且其大的比表面積大大降低界面熱阻，熱量在石墨烯材料間快速傳遞而不經(jīng)過聚合物基體，實現(xiàn)“導熱逾滲”，可有效強化聚合物的導熱性能[1]。但需要強調(diào)的是，由于石墨烯本身的疏水及靜電特性，它在復合材料中極易團聚，這會抑制石墨烯的熱學性能[1]。因此，如何提高石墨烯在聚合物基體中的分散性是強化導熱的一個關(guān)鍵問題。

此外，石墨烯與銅復合形成的異質(zhì)膜可顯著提高銅的導熱性能。2014年，Goli[38]通過氣相化學沉積方法（CVD）在9μm 厚銅箔兩側(cè)生長石墨烯，形成三明治結(jié)構(gòu)復合膜，用激光脈沖加熱并測定其熱擴散系數(shù)、計算熱導率。結(jié)果顯示，這種石墨烯/銅/石墨烯（Gr/Cu/Gr）層狀復合膜材料室溫下的導熱性能較裸銅提升24%。其原因主要有兩點：（1）石墨烯增加了高導熱通道；（2）石墨烯生長優(yōu)化了銅的晶格結(jié)構(gòu)，增大了晶粒尺寸。后者對提升導熱性能起主要作用。因為小尺寸晶粒的晶界散射會限制熱載體的平均自由程，從而限制熱傳輸。CVD 生長石墨烯比退火處理具有更大的晶粒增長效應，使銅的晶粒直徑增大10～100 倍，缺陷密度和表面粗糙度降低20%。這種Gr/Cu/Gr 復合膜可取代鋁用于互補金屬氧化物半導體（CMOS）的互聯(lián)材料，可以同時起到強化散熱、降低銅向連接層擴散的雙重作用[38]，CMOS 又是超大規(guī)模集成電路采用的基本結(jié)構(gòu)單元[39]。因此，石墨烯優(yōu)異的導熱性能，能滿足計算機、衛(wèi)星電路、手持終端設(shè)備等高功率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求，為研發(fā)下一代C 基納米集成電路提供了可能。

3.2 納米流體強化對流傳熱

納米流體作為近年來一種新型的強化傳熱工質(zhì)被越來越多地區(qū)用于對流傳熱領(lǐng)域。碳納米材料比表面積大，導熱率高，并且具有動力學穩(wěn)定性，如CNTs 和石墨烯，在流體強化傳熱方面越來越受到重視。在去離子水中添加1（vol）%的CNTs，其導熱率可提高7%[40]，而石墨烯納米顆粒比CNTs 導熱率更高，分散性更好，強化傳熱效果也更明顯。

Tessy 等[41]研究了石墨烯納米流體對導熱率和對流傳熱系數(shù)的影響。去離子水加入體積分數(shù)0.05%的石墨烯納米顆粒，導熱率在25℃和50℃分別提高16%和75%。對流傳熱實驗加入0.01%的石墨烯顆粒，雷諾數(shù)4500 時，傳熱管入口和出口對流傳熱系數(shù)分別提高76%和57%；雷諾數(shù)15500 時，管入口和管出口分別提高171%和141%。Kumar[42]針對石墨烯納米流體強化傳熱的研究與上述結(jié)果基本一致，導熱率和努塞爾數(shù)隨石墨烯納米顆粒添加濃度的升高而增大，而入口段強化傳熱效果更明顯。在太陽能集熱應用中，石墨烯/離子液體納米流體比碳納米管具有更好的強化傳熱效果并顯著提高基液的光吸收特性與光熱轉(zhuǎn)換性能，有潛力作為集熱介質(zhì)應用于直接吸收式太陽能集熱器[43]。但亦有研究認為受分散性影響，納米流體導熱率隨石墨烯添加濃度的升高而出現(xiàn)非線性減小[44]。

石墨烯納米流體強化傳熱機制復雜，在不同的條件和領(lǐng)域其納米行為或有不同的變化，但對流傳熱強化效應主要體現(xiàn)在以下兩方面：首先是因其導熱率高，比表面積大，能夠顯著提高基液工質(zhì)熱導率，其次是納米顆粒的尺度效應和微運動還能夠增強流體脈動和湍流[45]，破壞對流熱邊界層，快速與壁面或者核心液體大量換熱并達到熱平衡。

3.3 強化相變傳熱

沸騰傳熱強化主要是從優(yōu)化傳熱面結(jié)構(gòu)和改變流體特性參數(shù)兩方面入手，以增加汽化核心數(shù)和提高汽泡脫離頻率。常規(guī)表面處理強化傳熱已有較多的研究，近年來石墨烯因其比表面積大和導熱率高被用于相變傳熱強化，在制備壁面多孔結(jié)構(gòu)、納米特性強化核態(tài)沸騰和提高臨界熱流密度等方面具有眾多優(yōu)勢。

（1）表面修飾與納米特性 在大容器淬火沸騰過程中，石墨烯納米顆粒在沸騰表面的沉積，可自組裝形成了有序的多孔微觀結(jié)構(gòu)，改變沸騰表面的浸潤性、粗糙度、毛細力和臨界不穩(wěn)定波長的大小，從而增強沸騰過程的臨界熱流密度（CHF）[46]。Park等[5]在沸騰溶液中分別添加0.001vol%的石墨烯及氧化石墨烯片，CHF 分別增加了84%和179%。沸騰表面的熱活性計算表明，石墨稀具有最佳的熱擴散能力，可以分散加熱表面上的過熱溫度，從而延緩臨界熱流密度的發(fā)生；而氧化石墨烯片在沸騰表面沉積形成了多孔有序的結(jié)構(gòu)，增強了表面液體的汽化。2014年，李旦洋關(guān)于納米懸浮液淬火沸騰實驗研究表明[45]，氧化石墨稀納米顆?？梢蕴岣吣B(tài)沸騰段的換熱速率，原因有兩點：（1）懸浮的氧化石墨稀納米顆粒提高了氣膜附近非均相成核速率，從而提高了水蒸汽擴散速率，進而強化膜態(tài)沸騰換熱速率。（2）氧化石墨稀在沸騰表面沉積形成了褶皺和縫隙，增大了表面粗糙度，增多了沸騰汽化核心，從而增大了臨界熱流密度。

對于條件一定的相變傳熱傳質(zhì)系統(tǒng)而言，提高氣相擴散系數(shù)，減小氣膜厚度，是提升摩爾通量和熱通量的關(guān)鍵，因為膜態(tài)沸騰條件下水蒸氣的擴散速率主要取決于膜內(nèi)的汽化和汽液界面上的凝結(jié)過程的核化速率。高導熱石墨烯納米顆粒在汽化和凝結(jié)過程中形成非均態(tài)核化中心，增加了核化幾率，提高了膜內(nèi)的擴散速率，并且納米顆粒與氣膜尺寸相當，在高溫下又有較高的遷移速率,能夠攜帶水膜穿透蒸汽膜達到加熱壁面，可以減薄蒸汽膜,甚至改變局部傳熱狀態(tài)由膜態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)楹藨B(tài)沸騰[47]。在一定范圍內(nèi)，石墨烯納米顆粒添加濃度越大，非均相成核所的比例也越大，強化效果隨濃度線性增加。比如添加濃度從0.005（wt）%增大到0.1（wt）%，CHF 增大從5.99%到24.2%[45]。但如果石墨烯添加濃度過高，則會增大流體粘度或使壁面沉積過實，反而會削弱傳熱。

（2）高導熱特性 石墨烯超強導熱特性可用于沸騰相變界面，強化傳熱壁面熱量的橫向擴散，使壁面溫度均勻，提高整個換熱面的熱通量和效率。2014年，Ho SeonAhn 等[48]研究表明石墨烯能提高池式沸騰效率和CHF，避免了汽膜形成和傳熱惡化，使硅壁面沸騰傳熱強度提升1.8 倍。他將氧化還原的石墨烯膜壓制在透明硅片的正面作為傳熱壁面，背面采用鉑片加熱，采用紅外高速熱像儀監(jiān)測傳熱壁面溫度分布和變化，見圖3、4。

圖3 相同熱通量時，Si 與Gr/Si 壁面沸騰狀態(tài)Fig.3 Boiling state of Si and Gr/Si

由圖3 可知，裸Si 壁面達到臨界熱通量時，處于膜態(tài)沸騰，出現(xiàn)汽膜（白色區(qū)域），而覆蓋50nm 石墨烯的Gr/Si 壁面一直是泡核沸騰，壁面溫度均勻。

圖4 Si 與Gr/Si 汽泡覆蓋壁面溫度梯度Fig.4 Temperature gradient of surface at the same heat flux.Si and Gr/Si surface at the same heat flux

圖4 顯示了汽泡長大過程中覆蓋壁面的溫度梯度變化，裸Si 壁面溫度梯度陡峭，而Gr/Si 壁面溫度梯度平緩，表明石墨烯橫向熱擴散性能優(yōu)異。Ahn等[49]即利用石墨烯加熱界面的泡核沸騰機理，通過石墨烯膠體溶液泡核生長與破裂的動力學控制來自組裝石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)材料。

石墨烯相變傳熱強化機理主要在于：首先通過自組裝改變了傳熱壁面的微觀結(jié)構(gòu)和傳熱特性，增多了汽化核心或改變了相變狀態(tài)；其次小尺寸效應，減薄或破壞了沸騰汽膜，增強了膜內(nèi)的傳熱傳質(zhì)；再者其高導熱特性優(yōu)化了傳熱壁面的溫度均勻性，提高整個換熱面的熱通量和效率。石墨烯強化相變傳熱的機理復雜多變，傳熱模型尚不完善，深入探索石墨烯強化相變傳熱特性并發(fā)掘其在強化傳熱領(lǐng)域的應用潛力具有重要意義。

4 結(jié)論

石墨烯具有優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，其在強化傳熱方面的研究也取得了較大進展。從最初的將石墨烯簡單地與聚合物共混來提高復合材料的熱學性能，到制備石墨烯納米流體強化對流傳熱，通過表面修飾或材料復合強化相變傳熱。隨著研究的深入，還開發(fā)出了可調(diào)控導熱方向與大小的石墨烯/碳納米管三維多層級結(jié)構(gòu)材料，這種具有納米效應的復合材料在電子、儲能、化工等領(lǐng)域前景廣闊，再結(jié)合其優(yōu)良的化學惰性，在諸如海水淡化等腐蝕環(huán)境中的強化傳熱領(lǐng)域亦應具有潛在優(yōu)勢。然而，石墨烯種類的多樣性和作用的復雜性，決定了它的工業(yè)化應用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，在以下幾方面還需進一步研究：

（1）在導熱機理方面，還需深入研究各聲子熱傳輸模式對石墨烯導熱的作用機制，明確哪種聲子模式對熱傳輸起主要作用。石墨烯導熱理論模型需要進一步完善，綜合考慮尺寸、層數(shù)、溫度、基底、缺陷等眾多因素的影響。

（2）在復合材料強化導熱方面還存在欠缺，比如石墨烯摻混均勻性差甚至出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，關(guān)于納米尺度條件下的界面附著機理、界面熱阻變化等有待進一步研究，在提高復合材料的導熱性能的同時協(xié)調(diào)其它各項性能。

（3）石墨烯強化對流傳熱和相變傳熱相關(guān)的作用機制復雜，狀態(tài)和機理多變，尚沒有完善的傳熱理論模型。進一步明確納米尺度強化對流或相變傳熱的機理，建立完善的理論模型，對指導石墨烯強化傳熱的工業(yè)應用具有重要意義。

（4）將石墨烯與碳納米管協(xié)同復合，制備具有納米效應的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復合材料，實現(xiàn)傳熱方向與強度的可調(diào)控，是未來石墨烯強化傳熱研究的重要方向之一，但這種復合材料的制備還不成熟，協(xié)同作用機制的研究還有待深入。

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