解鎖石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架：開啟相變復(fù)合材料新時(shí)代一、引言在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，能源與電子領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步對(duì)材料性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料作為新型材料中的杰出代表，憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著全球?qū)δ茉锤咝Ю玫淖非笕找嫫惹校瑑?chǔ)能技術(shù)在能源領(lǐng)域的地位愈發(fā)關(guān)鍵。相變復(fù)合材料能夠在溫度變化時(shí)通過相變過程吸收或釋放大量熱量，實(shí)現(xiàn)高效的熱能存儲(chǔ)與釋放，為解決能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性問題提供了有效途徑。在太陽能、風(fēng)能等可再生能源的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，相變復(fù)合材料可將不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的熱能儲(chǔ)存起來，顯著提高能源利用效率，助力可持續(xù)能源發(fā)展。同時(shí)，在建筑領(lǐng)域，相變復(fù)合材料可用于制造節(jié)能型建筑材料，通過調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少空調(diào)、供暖等設(shè)備的能耗，為實(shí)現(xiàn)綠色建筑目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。在電子領(lǐng)域，隨著電子產(chǎn)品向小型化、高性能化方向發(fā)展，熱管理成為了制約其性能提升的關(guān)鍵因素。石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架具有超高的熱導(dǎo)率，能夠快速有效地傳導(dǎo)熱量，與相變復(fù)合材料結(jié)合后，可制備出高性能的熱界面材料和散熱材料。這些材料能夠在電子器件工作時(shí)迅速將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，有效控制設(shè)備溫度，避免因過熱導(dǎo)致的性能下降和故障，極大地提高了電子設(shè)備的性能和可靠性。無論是智能手機(jī)、電腦等日常電子設(shè)備，還是高性能服務(wù)器、航空航天電子設(shè)備等高端領(lǐng)域，石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料都有著不可或缺的應(yīng)用價(jià)值。然而，盡管這兩種材料展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何優(yōu)化制備工藝，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大規(guī)模的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架制備，降低生產(chǎn)成本；如何提高相變復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性，確保其在多次相變循環(huán)后仍能保持高效的儲(chǔ)能和熱管理性能；以及如何進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯與相變材料之間的界面相容性，充分發(fā)揮兩者的協(xié)同效應(yīng)等。這些問題亟待解決，對(duì)它們的深入研究不僅有助于推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展，也將為能源、電子等領(lǐng)域的技術(shù)突破提供堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。本文將圍繞石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架的制備方法展開詳細(xì)探討，分析不同制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及研究進(jìn)展，并深入研究其與相變材料復(fù)合后的性能特點(diǎn)，包括熱性能、力學(xué)性能、穩(wěn)定性等方面，旨在為石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供有益的參考。二、石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架制備方法（一）氧化石墨烯自組裝法氧化石墨烯（GO）是石墨經(jīng)過化學(xué)氧化和剝離后得到的單層材料，其片層表面含有大量含氧基團(tuán)，具有良好的親水性和分散性，能夠在水溶液或有機(jī)溶液中均勻分散，這為氧化石墨烯自組裝法制備石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架提供了基礎(chǔ)。該方法主要通過GO在溶液中的自組裝行為，借助外界條件促使其形成三維結(jié)構(gòu)，常用的手段包括水熱法、化學(xué)還原法和溶膠-凝膠法。水熱法是在密封的壓力容器中，以水為溶劑，在高溫高壓的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在利用水熱法制備石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架時(shí)，首先將GO分散在水中形成均勻的溶液，然后將該溶液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，在高溫（通常為100-200℃）高壓的環(huán)境下，GO片層之間發(fā)生自組裝和還原反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，GO片層逐漸聚集并相互連接，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠。這種水凝膠經(jīng)過冷凍干燥或超臨界干燥等后續(xù)處理，去除其中的水分，即可得到三維石墨烯骨架。水熱法制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有較高的純度和結(jié)晶度，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)豐富且分布均勻，有利于熱傳導(dǎo)通路的構(gòu)建。但該方法也存在一些缺點(diǎn)，如反應(yīng)條件較為苛刻，需要高溫高壓設(shè)備，制備過程能耗較大，且反應(yīng)時(shí)間較長，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。化學(xué)還原法是在GO懸浮液中加入還原劑，使GO被還原成還原氧化石墨烯（rGO），同時(shí)rGO片層之間發(fā)生堆疊和自組裝，形成三維結(jié)構(gòu)。常用的還原劑包括抗壞血酸鈉、硫化銨、乙二胺等，這些還原劑相對(duì)溫和，能夠在較為溫和的條件下實(shí)現(xiàn)GO的還原。以抗壞血酸鈉為例，在制備過程中，將抗壞血酸鈉加入到GO溶液中，在適當(dāng)?shù)臏囟龋ㄈ?0℃左右）下攪拌反應(yīng)一段時(shí)間，GO即可被還原并自組裝形成三維石墨烯結(jié)構(gòu)。化學(xué)還原法操作相對(duì)簡單，反應(yīng)條件溫和，不需要特殊的高壓設(shè)備，成本較低且較為環(huán)保。然而，該方法在還原過程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，且難以完全去除殘留的化學(xué)溶劑，這可能會(huì)對(duì)石墨烯三維骨架的熱性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。溶膠-凝膠法是通過將GO與特定的溶膠劑混合，在一定條件下使溶膠發(fā)生凝膠化過程，從而使GO片層在凝膠網(wǎng)絡(luò)中固定并形成三維結(jié)構(gòu)。具體操作時(shí)，先將GO分散在含有溶膠劑的溶液中，通過控制溶液的pH值、溫度和反應(yīng)時(shí)間等條件，促使溶膠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。在凝膠形成過程中，GO片層被包裹在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，并通過相互作用形成三維骨架結(jié)構(gòu)。最后，經(jīng)過干燥和熱處理等步驟，去除凝膠中的溶劑和雜質(zhì)，得到純凈的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架。溶膠-凝膠法制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有較好的均勻性和可控性，能夠精確調(diào)控骨架的微觀結(jié)構(gòu)和性能。但該方法的制備過程較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，且凝膠化過程耗時(shí)較長，對(duì)生產(chǎn)效率有一定影響。（二）化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種在高溫和催化劑的作用下，利用氣態(tài)的碳源（如甲烷、乙烯等）在模板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的碳原子逐漸沉積并生長成石墨烯的方法。在制備石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架時(shí)，通常需要使用具有三維結(jié)構(gòu)的模板，如鎳泡沫、MgO等，以引導(dǎo)石墨烯在模板表面生長并形成三維結(jié)構(gòu)。以鎳泡沫為模板的制備過程如下：首先將鎳泡沫進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，使其表面具有良好的活性。然后將預(yù)處理后的鎳泡沫放置在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔內(nèi)，通入氣態(tài)碳源（如甲烷）和氫氣等氣體。在高溫（通常為800-1000℃）和催化劑（如鎳本身）的作用下，甲烷分解產(chǎn)生碳原子，這些碳原子在鎳泡沫表面沉積并逐漸生長，形成石墨烯層。隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，石墨烯不斷在鎳泡沫的三維孔隙結(jié)構(gòu)表面生長，最終覆蓋整個(gè)鎳泡沫，形成三維石墨烯-鎳泡沫復(fù)合材料。之后，通過化學(xué)腐蝕等方法去除鎳泡沫模板，即可得到高純度的三維石墨烯骨架。這種以鎳泡沫為模板制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有高度的連通性和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠提供高效的熱傳導(dǎo)通道，在熱管理領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，如可用于制備高性能的散熱材料和熱界面材料。以MgO為模板時(shí)，首先需要對(duì)MgO進(jìn)行特殊處理，如煮沸和煅燒，使其表面形成具有波紋的多孔結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)能夠有效防止石墨烯片的團(tuán)聚，為石墨烯的生長提供良好的基底。將處理后的MgO放置在化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入碳源氣體進(jìn)行反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，碳原子在MgO表面沉積并生長成石墨烯，由于MgO表面的特殊結(jié)構(gòu)，生成的石墨烯具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積。這種具有特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯三維骨架在電化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如用作超級(jí)電容器的電極材料時(shí)，能夠表現(xiàn)出較高的電化學(xué)電容。化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有晶體質(zhì)量高、缺陷少、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高復(fù)合材料的熱性能。然而，該方法也存在一些明顯的缺點(diǎn)，如制備過程需要高溫、高真空等特殊條件，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本高，且制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量較低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。此外，模板的去除過程也可能會(huì)對(duì)石墨烯三維結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，影響其性能的穩(wěn)定性。（三）其他創(chuàng)新方法除了上述兩種常見的制備方法外，科研人員還開發(fā)了一些創(chuàng)新的方法來制備石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架，這些方法在構(gòu)建獨(dú)特結(jié)構(gòu)和提升性能方面展現(xiàn)出了各自的優(yōu)勢(shì)。冰模板法是一種利用冰晶生長引導(dǎo)材料組裝的方法。在制備石墨烯三維骨架時(shí)，首先將GO溶液逐滴滴入液氮中，在液氮的超低溫環(huán)境下，液滴迅速冷凍成型，形成GO微球。由于冰晶在生長過程中具有方向性，會(huì)在GO溶液中形成一定的孔隙結(jié)構(gòu)。隨后對(duì)GO微球進(jìn)行還原處理，如用水合肼還原，即可得到具有豐富多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的石墨烯微球。將這些石墨烯微球進(jìn)一步組裝，可形成三維石墨烯骨架。冰模板法制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑大小和分布較為均勻，且制備過程綠色環(huán)保，操作相對(duì)簡單。這種結(jié)構(gòu)有利于提高材料的熱導(dǎo)率和吸附性能，在熱管理和吸附分離等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。堿誘導(dǎo)自組裝法是利用堿溶液對(duì)GO的作用，促使其發(fā)生自組裝形成三維結(jié)構(gòu)。在該方法中，將GO分散在堿溶液中，如氫氧化鈉溶液，堿離子與GO表面的含氧基團(tuán)發(fā)生相互作用，改變GO片層之間的電荷分布和相互作用力，從而引發(fā)GO片層的自組裝。在自組裝過程中，GO片層逐漸聚集并形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過控制堿溶液的濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度等條件，可以精確調(diào)控三維結(jié)構(gòu)的形貌和性能。堿誘導(dǎo)自組裝法具有制備過程簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出具有特定結(jié)構(gòu)和性能的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架，為石墨烯材料的制備提供了新的思路和方法。三、相變復(fù)合材料制備（一）材料選擇相變材料的種類繁多，主要分為有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料，它們各自具有獨(dú)特的性能特點(diǎn)，在選擇時(shí)需要綜合考慮多方面因素。常見的有機(jī)相變材料包括石蠟、脂肪酸、聚乙二醇等。石蠟是一種典型的有機(jī)相變材料，由多種烷烴混合而成，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使用安全可靠。其相變溫度范圍較廣，一般在30℃-80℃之間，這使得它能適用于許多不同的應(yīng)用場景，如在建筑保溫領(lǐng)域，可有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。此外，石蠟價(jià)格相對(duì)較低，來源廣泛，便于大規(guī)模應(yīng)用。脂肪酸類相變材料的相變溫度通常在40℃-60℃之間，相變潛熱較大，在能量儲(chǔ)存和溫度調(diào)節(jié)方面潛力巨大，且具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值，如用于藥物緩釋系統(tǒng)。然而，有機(jī)相變材料也存在一些明顯的缺點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，這限制了熱量的快速傳遞，在對(duì)散熱要求較高的應(yīng)用場景中可能無法滿足需求；單位體積的儲(chǔ)熱能力相對(duì)較弱，意味著在相同體積下儲(chǔ)存的能量較少；部分有機(jī)相變材料還具有易燃性，存在一定的安全隱患。無機(jī)相變材料主要包括水合鹽、金屬合金等。水合鹽通常含有結(jié)晶水，在相變過程中，結(jié)晶水的失去或獲得伴隨著熱量的吸收或釋放，相變潛熱較大，且相變溫度相對(duì)固定，在對(duì)溫度控制要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，如太陽能熱水器的儲(chǔ)熱系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。金屬合金如鎵基合金，具有較低的熔點(diǎn)，在室溫附近就能發(fā)生相變，雖然相變潛熱相對(duì)較小，但其導(dǎo)熱性能極佳，能夠快速地吸收和釋放熱量，在電子設(shè)備的散熱領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，可用于高性能計(jì)算機(jī)CPU的散熱。不過，無機(jī)相變材料在使用中也面臨一些問題，例如水合鹽容易出現(xiàn)過冷和相分離現(xiàn)象，這會(huì)影響其性能的穩(wěn)定性，通常需要添加成核劑和增稠劑來解決；部分無機(jī)相變材料還可能具有腐蝕性，對(duì)儲(chǔ)存容器和與之接觸的材料有一定的要求。在選擇相變材料時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求來確定。如果應(yīng)用場景對(duì)溫度控制的精度要求較高，且相變溫度在水合鹽的相變溫度范圍內(nèi)，那么水合鹽可能是一個(gè)合適的選擇，但其過冷和相分離問題需要通過添加相應(yīng)的添加劑來解決。對(duì)于需要長期穩(wěn)定儲(chǔ)存能量，且對(duì)安全性要求較高的場合，如建筑儲(chǔ)能，石蠟等有機(jī)相變材料是不錯(cuò)的選擇，雖然其導(dǎo)熱系數(shù)低，但可以通過與高導(dǎo)熱材料復(fù)合的方式來改善。在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域，由于需要快速散熱，金屬合金等導(dǎo)熱性能好的無機(jī)相變材料則更為適用。（二）制備工藝真空浸漬法：真空浸漬法是制備相變復(fù)合材料的常用方法之一，該方法主要利用真空環(huán)境下的壓力差，使相變材料能夠充分填充到多孔的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架中。以制備石蠟-石墨烯相變復(fù)合材料為例，其具體制備流程如下：首先，對(duì)石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和污染物，以提高其表面活性和吸附性能。可采用超聲清洗的方式，將石墨烯骨架放入合適的有機(jī)溶劑中，如乙醇，超聲處理一段時(shí)間，使表面的雜質(zhì)充分脫離，然后進(jìn)行干燥處理。接著，將預(yù)處理后的石墨烯骨架放入真空干燥箱中，抽真空至一定程度，通常真空度達(dá)到10-3-10-2Pa，以排除骨架孔隙內(nèi)的空氣。與此同時(shí)，將石蠟加熱至熔點(diǎn)以上，使其變?yōu)橐簯B(tài)，以便于浸漬。在達(dá)到預(yù)定的真空度后，將液態(tài)石蠟緩慢倒入裝有石墨烯骨架的容器中，確保石蠟?zāi)軌蛲耆采w骨架。保持真空狀態(tài)一段時(shí)間，一般為1-3小時(shí)，使石蠟在壓力差的作用下充分浸漬到石墨烯骨架的孔隙中。浸漬完成后，緩慢恢復(fù)常壓，然后將樣品從真空干燥箱中取出，自然冷卻或采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，使石蠟?zāi)蹋瑥亩玫绞?石墨烯相變復(fù)合材料。在整個(gè)制備過程中，真空度、浸漬時(shí)間和溫度是關(guān)鍵參數(shù)。真空度直接影響到浸漬的效果，較高的真空度能夠使更多的石蠟進(jìn)入石墨烯骨架孔隙；浸漬時(shí)間決定了石蠟浸漬的充分程度，時(shí)間過短可能導(dǎo)致浸漬不完全，時(shí)間過長則會(huì)影響生產(chǎn)效率；溫度則影響著石蠟的流動(dòng)性和浸漬速度，需要根據(jù)石蠟的熔點(diǎn)和實(shí)際情況進(jìn)行合理控制。同軸靜電紡絲技術(shù)：同軸靜電紡絲技術(shù)是一種能夠制備核-殼結(jié)構(gòu)相變復(fù)合材料的先進(jìn)方法，該方法通過特殊的噴頭設(shè)計(jì)，使兩種不同的溶液分別形成內(nèi)層和外層，在電場力的作用下，溶液被拉伸成纖維并沉積在接收裝置上，從而形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的相變復(fù)合纖維。以制備聚乙二醇（PEG）為核層、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為殼層的相變復(fù)合纖維為例，其制備過程如下：首先，分別配制核層和殼層的紡絲液。將PEG溶解在合適的有機(jī)溶劑中，如二氯甲烷，通過攪拌和加熱等方式，使其充分溶解，形成均勻的核層紡絲液，PEG的濃度一般控制在10%-30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。將PVP溶解在另一種有機(jī)溶劑中，如N，N-二甲基甲酰胺，同樣通過攪拌使其充分溶解，形成殼層紡絲液，PVP的濃度通常在15%-25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。然后，將配制好的核層和殼層紡絲液分別裝入同軸靜電紡絲設(shè)備的內(nèi)層和外層注射器中。設(shè)置靜電紡絲的工藝參數(shù)，如電壓一般為15-25kV，接收距離為10-20cm，內(nèi)層溶液的推進(jìn)速度為0.05-0.2mL/h，外層溶液的推進(jìn)速度為0.2-0.8mL/h。在電場力的作用下，內(nèi)層的PEG溶液和外層的PVP溶液被拉伸成纖維，并在接收裝置上沉積，形成核-殼結(jié)構(gòu)的相變復(fù)合纖維。最后，對(duì)收集到的復(fù)合纖維進(jìn)行后處理，如在真空干燥箱中干燥，去除殘留的有機(jī)溶劑，提高纖維的性能穩(wěn)定性。在同軸靜電紡絲技術(shù)中，紡絲液的濃度、電壓、接收距離和溶液推進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)復(fù)合纖維的形態(tài)和性能有著重要影響。紡絲液濃度過高會(huì)導(dǎo)致纖維直徑增大，甚至出現(xiàn)堵塞噴頭的情況；濃度過低則會(huì)使纖維的力學(xué)性能變差。電壓的大小決定了電場力的強(qiáng)弱，影響纖維的拉伸程度和直徑；接收距離影響纖維的飛行時(shí)間和沉積效果；溶液推進(jìn)速度則控制著纖維的生成速率和核-殼結(jié)構(gòu)的比例。四、性能研究與分析（一）熱傳導(dǎo)性能石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升機(jī)制主要基于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和高本征熱導(dǎo)率。石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率，理論值可達(dá)5300W/(m?K)，其二維平面內(nèi)的碳原子通過共價(jià)鍵緊密結(jié)合，形成了規(guī)整的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為聲子的傳播提供了高效的通路，使得熱量能夠快速傳遞。當(dāng)石墨烯構(gòu)建成三維熱傳導(dǎo)骨架時(shí)，其相互連接的片層結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料內(nèi)部形成了連續(xù)的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。相變材料填充在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的孔隙中，與石墨烯骨架緊密接觸，從而能夠借助石墨烯的高熱導(dǎo)率迅速傳導(dǎo)熱量。在石蠟-石墨烯相變復(fù)合材料中，石墨烯三維骨架就像高速公路一樣，將石蠟相變過程中吸收或釋放的熱量快速傳遞出去，大大提高了復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)效率。不同制備方法所得材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)存在顯著差異。通過氧化石墨烯自組裝法制備的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架，由于自組裝過程中相鄰石墨烯片之間主要通過弱的范德華力、氫鍵以及π-π鍵相互作用，這些較弱的相互作用導(dǎo)致了大量的聲子散射。同時(shí)，以氧化石墨烯溶液為前驅(qū)體制備的三維石墨烯結(jié)構(gòu)中，氧化石墨烯往往不能完全被還原，片層上殘留的大量含氧官能團(tuán)會(huì)增加界面熱阻，使得熱導(dǎo)率受到較大影響。采用水熱法制備的石墨烯三維骨架，在石墨烯負(fù)載量為5%時(shí)，其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可能僅為1.5W/(m?K)左右。化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架，由于其制備過程中石墨烯之間通過共價(jià)鍵連接，為聲子的轉(zhuǎn)移提供了快速通道，且制備的石墨烯具有更好的晶體結(jié)構(gòu)，含氧基團(tuán)和結(jié)構(gòu)缺陷較少，因此在優(yōu)化復(fù)合材料熱導(dǎo)率方面表現(xiàn)更為出色。以鎳泡沫為模板通過化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯三維骨架，當(dāng)石墨烯負(fù)載量達(dá)到5%時(shí)，其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到3.0W/(m?K)以上，明顯高于氧化石墨烯自組裝法制備的材料。冰模板法制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布均勻，這種結(jié)構(gòu)有利于熱量的傳導(dǎo)，在較低的石墨烯負(fù)載量下就能實(shí)現(xiàn)較好的熱導(dǎo)率提升效果。在石墨烯負(fù)載量為3%時(shí)，其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可以達(dá)到2.0W/(m?K)左右，展現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)性能。堿誘導(dǎo)自組裝法制備的石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架，通過精確控制堿溶液的濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度等條件，可以調(diào)控其結(jié)構(gòu)和性能，制備出的復(fù)合材料在熱導(dǎo)率方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)，在合適的制備條件下，熱導(dǎo)率可與冰模板法制備的材料相媲美。（二）儲(chǔ)能性能相變材料的相變潛熱是衡量其儲(chǔ)能能力的重要指標(biāo)，它表示單位質(zhì)量的相變材料在相變過程中吸收或釋放的熱量。不同類型的相變材料具有不同的相變潛熱，有機(jī)相變材料中的石蠟，其相變潛熱一般在150-250J/g之間，這意味著每克石蠟在相變過程中能夠吸收或釋放150-250焦耳的熱量，可用于儲(chǔ)存或釋放大量的熱能，在建筑保溫和太陽能儲(chǔ)能等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。脂肪酸的相變潛熱通常在180-220J/g左右，其相變溫度范圍相對(duì)較窄，在一些對(duì)溫度控制精度要求較高的儲(chǔ)能場景中具有應(yīng)用價(jià)值。無機(jī)相變材料中的水合鹽，相變潛熱較大，部分水合鹽的相變潛熱可達(dá)300-400J/g，但其存在過冷和相分離等問題，需要添加成核劑和增稠劑來解決。儲(chǔ)能效率則反映了相變材料在實(shí)際應(yīng)用中儲(chǔ)存和釋放能量的有效程度，它受到多種因素的影響，包括相變材料的熱導(dǎo)率、與容器壁的接觸熱阻、相變過程中的過冷和過熱現(xiàn)象等。熱導(dǎo)率較低的相變材料，在吸收和釋放熱量時(shí)速度較慢，導(dǎo)致儲(chǔ)能和釋能過程耗時(shí)較長，從而降低了儲(chǔ)能效率。如果相變材料與容器壁之間存在較大的接觸熱阻，熱量在傳遞過程中會(huì)有較大的能量損失，也會(huì)影響儲(chǔ)能效率。石墨烯骨架對(duì)儲(chǔ)能性能有著重要的影響。一方面，石墨烯的高導(dǎo)熱性能夠有效改善相變材料的熱傳導(dǎo)性能，減少相變過程中的溫度梯度，使相變材料能夠更快速、均勻地吸收和釋放熱量，從而提高儲(chǔ)能效率。在石蠟-石墨烯相變復(fù)合材料中，石墨烯骨架能夠快速將熱量傳遞到石蠟內(nèi)部，使石蠟迅速達(dá)到相變溫度，縮短了儲(chǔ)能和釋能的時(shí)間。另一方面，石墨烯三維骨架的多孔結(jié)構(gòu)可以為相變材料提供更多的儲(chǔ)存空間，并且能夠通過毛細(xì)作用將液態(tài)相變材料固定在孔隙中，有效防止相變材料在相變過程中的泄漏，提高了材料的穩(wěn)定性和可靠性，間接保障了儲(chǔ)能性能的穩(wěn)定發(fā)揮。（三）穩(wěn)定性與耐久性復(fù)合材料在多次熱循環(huán)過程中，其性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，相變材料可能會(huì)發(fā)生性能退化，如相變潛熱減小、相變溫度漂移等。這是因?yàn)樵诜磸?fù)的加熱和冷卻過程中，相變材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其儲(chǔ)能能力下降。復(fù)合材料中的界面也可能會(huì)受到熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致石墨烯與相變材料之間的結(jié)合力減弱，影響熱傳導(dǎo)性能和整體穩(wěn)定性。研究表明，經(jīng)過500次熱循環(huán)后，一些未添加石墨烯骨架的相變復(fù)合材料，其相變潛熱可能會(huì)下降10%-20%，而添加了石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架的復(fù)合材料，相變潛熱的下降幅度可控制在5%以內(nèi)，展現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性。在不同環(huán)境條件下，如高溫、高濕度、強(qiáng)酸堿等，復(fù)合材料的耐久性也面臨挑戰(zhàn)。高溫環(huán)境可能會(huì)加速相變材料的老化和分解，降低其使用壽命；高濕度環(huán)境可能會(huì)使相變材料吸收水分，影響其性能；強(qiáng)酸堿環(huán)境則可能會(huì)腐蝕復(fù)合材料的組成部分，破壞其結(jié)構(gòu)。對(duì)于含有石墨烯骨架的相變復(fù)合材料，石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能可以在一定程度上保護(hù)相變材料，提高復(fù)合材料在惡劣環(huán)境下的耐久性。在高濕度環(huán)境中，石墨烯骨架能夠阻止水分進(jìn)入相變材料內(nèi)部，保持其性能穩(wěn)定；在強(qiáng)酸堿環(huán)境中，石墨烯的耐腐蝕性能可以防止骨架被腐蝕，維持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性。五、應(yīng)用領(lǐng)域與案例分析（一）電子設(shè)備熱管理在電子設(shè)備領(lǐng)域，散熱問題一直是制約其性能提升和可靠性的關(guān)鍵因素。隨著智能手機(jī)、電腦等設(shè)備的功能不斷增強(qiáng)，芯片的運(yùn)算速度和集成度大幅提高，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量也急劇增加。如果不能及時(shí)有效地散熱，芯片溫度過高會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降、運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)死機(jī)、硬件損壞等問題。石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料的出現(xiàn)，為解決電子設(shè)備散熱問題提供了有效的解決方案。以手機(jī)為例，iPhone16系列首次引入了革命性的石墨烯散熱系統(tǒng)，這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)從根本上解決了手機(jī)過熱的問題。石墨烯以其極高的熱傳導(dǎo)性，能夠迅速將芯片產(chǎn)生的熱量分散到手機(jī)外殼上，大幅降低芯片溫度，確保手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)依然保持冷靜。結(jié)合蘋果對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和新型金屬電池外殼的采用，iPhone16系列在散熱方面達(dá)到了前所未有的水平，為用戶提供了更加持久和穩(wěn)定的使用體驗(yàn)。在實(shí)際使用中，當(dāng)用戶長時(shí)間玩大型游戲或進(jìn)行多任務(wù)處理時(shí)，手機(jī)的處理器等核心部件會(huì)高速運(yùn)行，產(chǎn)生大量熱量。傳統(tǒng)的散熱材料難以快速將這些熱量散發(fā)出去，導(dǎo)致手機(jī)溫度迅速升高，出現(xiàn)屏幕亮度降低、幀率下降等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。而采用石墨烯散熱系統(tǒng)的iPhone16系列，能夠快速將熱量傳導(dǎo)出去，使手機(jī)在長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行下，溫度仍能保持在合理范圍內(nèi)，有效避免了性能下降的問題，為用戶帶來了流暢的游戲和使用體驗(yàn)。在電腦芯片散熱方面，北京大學(xué)劉忠范教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的三維結(jié)構(gòu)石墨烯熱傳輸功能材料展現(xiàn)出了卓越的性能。通過氫氣輔助PECVD工藝（H2-PECVD）策略制備的具有發(fā)射率高達(dá)～0.98的多級(jí)分支結(jié)構(gòu)的石墨烯（BVG），以及通過電場輔助PECVD工藝（EF-PECVD）制備的垂直取向的石墨烯（OVG），在芯片散熱中發(fā)揮了重要作用。OVG沉積在芯片與散熱器的接觸界面上，作為熱傳導(dǎo)增強(qiáng)層，促進(jìn)熱量從芯片快速傳遞到散熱片；BVG則沉積在散熱器的翅片表面，作為熱輻射增強(qiáng)層，促進(jìn)熱量從散熱器快速輻射到周圍空氣中。利用這種設(shè)計(jì)理念，可以共同增強(qiáng)芯片冷卻系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵界面，實(shí)現(xiàn)了～30.7%的顯著冷卻效率提升。在實(shí)際應(yīng)用中，搭載這種石墨烯熱傳輸功能材料的電腦芯片，在進(jìn)行復(fù)雜的圖形渲染、大數(shù)據(jù)處理等高負(fù)載任務(wù)時(shí)，能夠有效降低芯片溫度，提高電腦的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性，減少因過熱導(dǎo)致的死機(jī)和系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象，為用戶提供了更加高效和可靠的使用環(huán)境。（二）能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換在太陽能存儲(chǔ)領(lǐng)域，有機(jī)相變材料由于其高潛在焓、低腐蝕性和優(yōu)異的穩(wěn)定性而具有巨大的太陽能利用潛力。然而，傳統(tǒng)有機(jī)相變材料存在對(duì)太陽能的響應(yīng)能力弱、形狀穩(wěn)定性不足以及導(dǎo)熱性差等問題，限制了其在太陽能存儲(chǔ)中的應(yīng)用。華南理工大學(xué)張心亞研究員針對(duì)這一問題，通過冰模板法和協(xié)同作用構(gòu)建了具有優(yōu)異導(dǎo)熱增強(qiáng)效率的風(fēng)干石墨烯骨架（AGS），隨后通過真空浸漬n-Docosane（C22）在AGS中得到風(fēng)干石墨烯相變復(fù)合材料（AGP）。這種協(xié)同作用有效地降低了AGS內(nèi)部石墨烯片間的聲子散射，并將AGS的密度提高到0.1701g/cm3。當(dāng)石墨烯骨架負(fù)載為23.82wt.%時(shí)，AGP的導(dǎo)熱系數(shù)為9.867W/(m?K)，電導(dǎo)率為68.08S/cm，具有優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性。AGP的熔化焓為188.5J/g，光熱轉(zhuǎn)換效率為93.98%，顯示出巨大的太陽能利用潛力。在實(shí)際的太陽能存儲(chǔ)系統(tǒng)中，AGP能夠快速吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)又能迅速釋放熱量，為太陽能的高效利用提供了有力支持，有效提高了太陽能存儲(chǔ)和利用的效率。在電池?zé)峁芾矸矫妫囯x子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，過高的溫度會(huì)影響電池性能和壽命，甚至引發(fā)安全事故。熱傳導(dǎo)材料能夠快速將電池產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，降低電池溫度，提高電池的效率和安全性。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，能夠快速導(dǎo)出電池產(chǎn)生的熱量，防止電池過熱甚至發(fā)生熱失控。將石墨烯與相變材料復(fù)合制成的電池?zé)峁芾聿牧希軌蛟陔姵販囟壬邥r(shí)，通過相變材料的相變過程吸收熱量，從而更有效地控制電池溫度。在電動(dòng)汽車的電池組中，使用這種石墨烯-相變復(fù)合材料進(jìn)行熱管理，能夠確保電池在不同的工作條件下都能保持穩(wěn)定的性能，延長電池壽命，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和安全性。（三）其他潛在應(yīng)用在建筑節(jié)能領(lǐng)域，石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料也具有巨大的應(yīng)用潛力。相變材料可以在溫度變化時(shí)吸收或釋放熱量，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少空調(diào)、供暖等設(shè)備的能耗。將石墨烯與相變材料復(fù)合，能夠提高材料的熱導(dǎo)率，使相變材料更快地響應(yīng)溫度變化，更有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。在夏季，當(dāng)室內(nèi)溫度升高時(shí)，相變復(fù)合材料能夠吸收熱量并儲(chǔ)存起來，降低室內(nèi)溫度；在冬季，當(dāng)室內(nèi)溫度降低時(shí)，相變復(fù)合材料又能釋放儲(chǔ)存的熱量，提高室內(nèi)溫度，從而實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能降耗。使用這種材料的建筑，相比傳統(tǒng)建筑，能耗可降低20%-30%，為實(shí)現(xiàn)綠色建筑目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的性能要求極為苛刻，需要材料具備高強(qiáng)度、低密度、高導(dǎo)熱性等特性。石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架具有超高的強(qiáng)度和良好的熱導(dǎo)率，能夠滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟆Ｔ诤教炱鞯臒峁芾硐到y(tǒng)中，石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架可以作為散熱材料，迅速將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，確保設(shè)備在極端環(huán)境下正常運(yùn)行。在衛(wèi)星的電子設(shè)備艙中，使用石墨烯散熱材料能夠有效降低設(shè)備溫度，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命，保障衛(wèi)星的正常運(yùn)行。同時(shí)，石墨烯的高強(qiáng)度和低密度特性，還可以用于制造航空航天結(jié)構(gòu)件，減輕飛行器的重量，提高其載荷能力和飛行性能。六、挑戰(zhàn)與展望（一）現(xiàn)存挑戰(zhàn)盡管石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相變復(fù)合材料在研究和應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在制備成本與大規(guī)模生產(chǎn)方面，目前許多制備石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架的方法，如化學(xué)氣相沉積法，需要高溫、高真空等特殊條件，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)過程復(fù)雜且能耗高，導(dǎo)致制備成本居高不下，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。氧化石墨烯自組裝法中的一些工藝，雖然相對(duì)簡單，但反應(yīng)時(shí)間長，產(chǎn)量有限，也不利于大規(guī)模生產(chǎn)。這使得石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架在實(shí)際應(yīng)用中的推廣受到限制，難以滿足市場對(duì)低成本、大規(guī)模材料的需求。性能優(yōu)化方面也存在瓶頸。雖然石墨烯本身具有優(yōu)異的性能，但在與相變材料復(fù)合時(shí)，由于兩者之間的界面相容性問題，難以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致復(fù)合材料的綜合性能提升有限。石墨烯與相變材料之間的界面結(jié)合力較弱，在熱循環(huán)過程中容易出現(xiàn)界面分離，影響熱傳導(dǎo)和儲(chǔ)能性能。相變材料的過冷和相分離現(xiàn)象也尚未得到完全解決，這會(huì)降低材料的儲(chǔ)能效率和穩(wěn)定性，限制了其在一些對(duì)性能要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。（二）未來展望未來，隨著研究的不斷深入，石墨烯三維熱傳導(dǎo)骨架和相