石墨烯-高分子导热复合材料

随着半导体制造技术的不断进步和电子工业的不断发展，电子设备的散热问题日益受到关注，越来越多的导热材料被应用于携带型装置、电子设备和能源领域。高分子聚合物是经常用于电子设备制造和集成电路封装的材料，但是高分子本身热导率不高，一般低于0.5 W/m·K，不能满足高功率电子装备的应用需求。针对这一缺点，本征热导率高的石墨烯已被广泛利用作为纳米填料与高分子共混，形成复合材料，以提高整体热导率。然而，共混法制备的复合材料对于热导率的提升效果十分有限，因此，在高分子基底中构建具有导热连续网络的三维石墨烯结构是解决这一问题的有效手段。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所表面事业部功能碳素材料团队开发了一种低成本、工艺简单、且能大规模应用的石墨烯/高分子高导热复合材料的制备方法，将高分子粉体表面均匀包裹上石墨烯纳米片，再通过热压制备成复合材料。通过此工艺，石墨烯能在高分子基底中形成胞室状的三维结构，其复合材料热导率能达到一般熔融混合法产品的两倍。这种方法适用于各类热塑性聚合物，包含对聚乙烯、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯等，在重量百分率10% 的石墨烯添加量下，能将高分子聚合物的本征热导率提高5～6倍。这一工作有助于推动石墨烯相关高分子导热复合材料的制备及应用的发展。

目前，相关工作已被《材料化学杂志A》（Journal ofMaterials Chemistry A，DOI: 10.1039/c7ta00750g) 接受。该研究工作获得国家“青年千人计划”和中科院“百人计划”、

国家自然科学基金(51573201)、浙江省公益技术应用研究计划(2016C31026)以及3315创新团队项目的资助。

日前，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢柯研究组发现通过适当合金元素的晶界偏聚可以提高晶界稳定性，从而可以大幅度调控纳米金属的强度。该研究得到科技部国家重大科学研究计划和国家自然基金资助。该成果发表于2017年3月24日出版的Science（《科学》）。金属材料的强度或硬度往往随晶粒尺寸减小而增加，遵循基于位错塞积变形机制的Hall-Petch 关系，即强度的增加与晶粒尺寸的平方根成反比。而当晶粒尺寸低于某临界晶粒尺寸（通常为10～30纳米）时，金属的强度会偏离Hall-Petch 关系，有些金属的强度不再升高甚至下降，这种纳米尺度下的软化现象通常归因于纳米金属中大量晶界的迁移。

卢柯研究组利用电解沉积方法制备出晶粒尺寸从30纳米到3.4纳米变化的一系列Ni-Mo合金样品，发现当晶粒尺寸小于10 纳米时合金出现软化行为。通过适当温度的退火处理，他们利用晶界弛豫以及Mo原子在晶界上的偏聚，使材料硬度明显提高，最高可达11.35GPa。

这一结果表明，晶粒尺寸相同的纳米材料，其硬度可以通过调控晶界稳定性而大幅度地变化，既可硬化也可软化。该发现揭示了纳米材料中软化和硬化行为本质，澄清了过去三十多年来关于这一问题的争论。同时表明在纳米金属中硬度不仅依赖于晶粒尺寸，也受控于晶界稳定性。晶界稳定性可成为纳米材料中除晶粒尺寸之外的另一个性能调控维度。

纳米金属中的不同硬度变化源于不同的塑性变形机制。卢柯研究组与法国UNIROUEN 及南京理工大学的合作者利用原子探针技术和高分辨率电子显微术发现，制备态纳米Ni-Mo样品中的软化行为是由于机械驱动的晶界迁移变形机制所致。而纳米Ni-Mo样品在退火过程中发生了晶界弛豫及溶质原子的晶界偏析，降低了晶界能，提高了晶界的稳定性，使晶界行为在外力作用下难以启动，塑性变形通过拓展不全位错的形核及运动来实现。由于位错形核应力与晶粒尺寸的倒数成正比，样品硬度随晶粒尺寸减小不降反升。极小晶粒尺寸纳米金属的硬化及软化行为充分展现了由晶界稳定性控制的微观变形机制转变。这一发现为设计及制备具有如超高硬度等优异性能的新型纳米金属材料提供了新思路。