石墨烯气凝胶的结构对导热性能的影响及其声子散射机理研究

Graphene aerogel has ultra-light density, large specific surface area, good mechanical elasticity, manipulable electrical, optical, thermal, and chemical properties, and can be produced in large scale, thus it has shown good application prospects in the field of military, aerospace, energy storage, thermal batteries, etc. Its thermophysical properties and phonon propagation highly depend on its internal microstructure. In order to reveal the influence mechanism of various microstructure parameters on macroscopic thermal conductivity and establish a gas-solid coupling heat transfer model for the special microstructure of graphene aerogel, this project will systematically carry out experimental research on the heat transfer performance of graphene aerogel by finely controlling the microstructure such as density, chemical doping, crystal structure and pore size. Based on the thermal reffusivity model, we will innovatively quantify the phonon scattering intensity caused by the chemical doping and crystal structure changes; The effects of the above-mentioned microstructure parameters on the Debye temperature and phonon mean free path will be analyzed; The synergistic effect of solid, density and pore structure will be explored. The research results of this project will be of great significance for the development of the basic knowledge of the energy transfer mechanism of graphene aerogel, as well as providing theoretical guidance for its structural design in various applications.

石墨烯气凝胶具备超轻的重量，超大的比表面积，良好的机械弹性，可调控的电学、光学、热学、和化学性能，可大规模生产的工艺等，因此在军事、航天、储能、和热电池等领域展现出良好的应用前景。其热物理性能以及声子能量传输与其内部的微观结构有着紧密的联系。为了揭示多种微观结构参数对宏观导热性能的影响机制，建立针对石墨烯气凝胶特殊微观结构的气-固耦合传热模型，本项目将通过精细控制密度、化学掺杂、晶体结构、孔隙尺寸等微观结构，系统地开展对石墨烯气凝胶热传输性能的实验研究。本项目将创新性地基于阻温系数模型量化石墨烯气凝胶内部的化学掺杂、晶体结构的变化造成的声子散射强度；从机理上研究上述微观结构参数对德拜温度和声子平均自由程的影响；并探索固体、密度、孔隙结构的协同作用和耦合传热模型。本项目的研究成果将对于发展石墨烯气凝胶能量传输机制的基础研究和指导其在多种应用领域中的结构设计具有重要的意义。

近年来，以石墨烯作为基本构建单元，具有三维的整体结构并保留石墨烯的全部或部分特性的材料成为最具应用前景的材料之一。系统地研究石墨烯气凝胶的微观结构与热传输性能的关联，对于实现其应用和热设计具有重要的意义。本项目的主要研究内容包括：（1）研究具有不同密度、化学掺杂、晶体尺寸、孔隙结构的石墨烯气凝胶材料的固体导热性能和有效导热系数。（2）研究化学掺杂、晶体结构对石墨烯气凝胶的声子散射强度、德拜温度、和声子平均自由程的影响。（3）研究石墨烯气凝胶内部的固体与空气导热的协同作用机理。.项目开展三年来，本项目取得的重要结果包括：.（1）在项目研究方面，取得了下面的进展：（a）围绕石墨烯气凝胶的制备、微观结构控制、导热性能测试、传热模型等开展了较为充分的文献调研和综述工作（论文1）。（b）制备了氮掺杂的石墨烯气凝胶材料，研究了氮掺杂结构对于石墨烯气凝胶的亲疏水性、导热性能的影响（论文2）。（c）基于显微拉曼技术研究了温度对纳米厚度的WS2拉曼强度的影响，强调了热应力造成的光学干涉效应的重要影响（论文3）。（d）报道了热应力与结构界面分离的存在对于碳纳米材料在低温下的瞬态热、电输运的影响（论文4）。（e）研究了碳纳米管/二硫化钼复合薄膜的导热、导电性能和微观机制，并将其应用于红外传感器中（论文5）。（f）研究了具有非晶结构的聚酰亚胺纤维的热输运和其声子散射平均自由程（论文6）。（g）制备了具有MoS2纳米球复合结构的石墨烯气凝胶，并研究了其导热性能和光热转化性能（论文7）。（h）研究了具有不同结构域尺寸的还原氧化石墨烯薄膜在低温下的导热、导电性能的相关性，并且建立了相关模型（论文8）。.（2）在学术交流方面，已参加国内学术会议9人次，做4次口头报告。.（3）在文献发表方面，已发表SCI论文8篇（第一标注6篇，第二标注2篇）。.（4）在学生培养方面，有6位硕士生，8名本科生在该课题中被培养。