随着高功率电子器件、航空航天装备以及先进防护设备的发展，对高效热管理材料的需求日益迫切。传统聚合物材料通常具有较低的热导率，而高导热填料的引入往往会带来力学性能下降等问题，因此如何在保持材料强度的同时实现超高导热性能，一直是聚合物复合材料领域的重要挑战。近期，浙江大学高分子合成与功能化教育部重点实验室高超教授和许震教授团队发表论文，提出一种“反相增强（Inverse Phase Enhancement, IPE）”结构设计策略，成功构建出兼具高强度与超高热导率的石墨烯块体复合材料，为高性能热管理材料的发展提供了新的设计思路。

图1. 通过反相增强的高性能石墨烯膜。(a)带有榫卯结构的中国传统木结构示意图。(b)从商用石墨烯泡沫制备IPE-GP的过程包括三个步骤:压缩、树脂灌注和加压固化。(c)石墨烯膜中的2DJT结构，以填补建筑缺陷并避免纯π-π堆叠的灾难性破坏。(d)具有反相增强效应的石墨烯膜(IPE-GP，红线)和原始商用石墨烯膜(GP，蓝线)的综合性能对比。

本文要点

材料设计与结构构建：研究团队受到中国传统建筑榫卯结构的启发，提出一种创新的反相增强（IPE）设计策略。在该结构中，传统聚合物复合材料中作为基体的树脂被转变为强化相，而石墨烯层状结构则成为主要的连续导热框架。通过真空辅助树脂渗透与压力固化工艺，树脂可以进入石墨烯层间的“卯状空腔结构”，形成类似榫卯连接的二维锁定结构。这种结构改善了层间应力传递效率，通过诱导裂纹分叉、片层边缘拔出及树脂桥连等多种能量耗散机制，有效抑制了石墨烯层间滑移并阻止裂纹快速扩展；同时，该策略通过构建离散分布的2DJT结构，显著降低树脂负载量，在实现高效力学增强的同时，有效保持了初始连续传热网络，从而在维持材料强度的同时实现优异的导热性能。

性能表现：实验结果表明，通过反相增强策略构建的石墨烯膜在性能上实现了显著突破。仅需约5.9% 的聚合物含量即可将石墨烯膜的拉伸强度提升约 117%，并实现了高达1325 W/m·K的面内热导率，实现了高导热与高强度的协同优化。这一结果表明，通过合理的结构设计，可以充分发挥石墨烯本征的高导热潜力，而无需大量聚合物填充。同时，该薄膜为构建高性能聚合物块状复合材料提供了理想基元。所制备的IPE-GP块状复合材料实现了802 ± 10.9 W·m⁻¹·K⁻¹ 的优异面内热导率，超越了目前已报道的聚合物复合材料体系。该突破性性能使其在先进热管理领域具有出色的应用潜力。

结构机理和应用验证：机理分析表明，材料优异性能来源于二维榫卯结构形成的稳定层间连接。这种结构不仅能够有效限制石墨烯片层的滑移，还能显著提高材料抵抗裂纹扩展的能力，从而提升整体力学稳定性。同时，构建的高取向石墨烯导热网络能够在面内方向形成高效的热传导路径，使材料在电子器件散热和热防护场景中表现出优异性能。研究团队还进一步将该材料应用于UHMWPE复合层压结构中，在高温穿刺与热扩散测试中展现出明显的热防护与散热优势。

科学意义与应用价值：该研究通过引入“反相增强”结构设计理念，成功突破了石墨烯块体复合材料在高导热与高强度之间难以兼顾的技术瓶颈。与传统复合材料设计思路不同，该策略将聚合物从基体转变为强化相，使其在石墨烯层间形成类似榫卯结构的二维连接，从而实现结构稳定性与导热性能的协同提升。该研究不仅为充分发挥石墨烯材料的极高热导率提供了新的结构设计路径，也为开发下一代高性能热管理材料提供了重要参考。这类高导热石墨烯块体复合材料在高功率电子器件散热、先进防护装备以及航空航天热管理系统等领域具有广阔的应用前景。

原文信息：

Kaiwen Li, Bo Wang, Yanru Chen, Jiahao Lu, Yue Gao, Junsheng Wang, Lidan Wang, Bin Sun, Zhongzhen Yu, Zhiping Xu, Kai Pang, Yingjun Liu, Zhen Xu*, Chao Gao*

Strong graphene bulk composites with high thermal conductivity over 800 W·m⁻¹·K⁻¹

Advanced Nanocomposites, 2025, 2, 288–298.

https://doi.org/10.1016/j.adna.2025.10.002

本推文仅作学术交流，不作任何商业活动。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：houyy013@mymail.unisa.edu.au

欢迎关注，点赞，转发