解锁石墨烯三维热传导骨架：开启相变复合材料新时代

解锁石墨烯三维热传导骨架：开启相变复合材料新时代一、引言在当今科技飞速发展的时代，能源与电子领域的持续进步对材料性能提出了极为严苛的要求。石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料作为新型材料中的杰出代表，凭借其独特的性能优势，在众多领域展现出了巨大的应用潜力，成为了材料科学领域的研究热点。随着全球对能源高效利用的追求日益迫切，储能技术在能源领域的地位愈发关键。相变复合材料能够在温度变化时通过相变过程吸收或释放大量热量，实现高效的热能存储与释放，为解决能源供应的不稳定性问题提供了有效途径。在太阳能、风能等可再生能源的储能系统中，相变复合材料可将不稳定的可再生能源转化为稳定的热能储存起来，显著提高能源利用效率，助力可持续能源发展。同时，在建筑领域，相变复合材料可用于制造节能型建筑材料，通过调节室内温度，减少空调、供暖等设备的能耗，为实现绿色建筑目标贡献力量。在电子领域，随着电子产品向小型化、高性能化方向发展，热管理成为了制约其性能提升的关键因素。石墨烯三维热传导骨架具有超高的热导率，能够快速有效地传导热量，与相变复合材料结合后，可制备出高性能的热界面材料和散热材料。这些材料能够在电子器件工作时迅速将产生的热量散发出去，有效控制设备温度，避免因过热导致的性能下降和故障，极大地提高了电子设备的性能和可靠性。无论是智能手机、电脑等日常电子设备，还是高性能服务器、航空航天电子设备等高端领域，石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料都有着不可或缺的应用价值。然而，尽管这两种材料展现出了巨大的应用潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，如何优化制备工艺，以实现高质量、大规模的石墨烯三维热传导骨架制备，降低生产成本；如何提高相变复合材料的性能稳定性，确保其在多次相变循环后仍能保持高效的储能和热管理性能；以及如何进一步增强石墨烯与相变材料之间的界面相容性，充分发挥两者的协同效应等。这些问题亟待解决，对它们的深入研究不仅有助于推动材料科学的发展，也将为能源、电子等领域的技术突破提供坚实的材料基础。本文将围绕石墨烯三维热传导骨架的制备方法展开详细探讨，分析不同制备工艺的优缺点及研究进展，并深入研究其与相变材料复合后的性能特点，包括热性能、力学性能、稳定性等方面，旨在为石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料的进一步研究与应用提供有益的参考。二、石墨烯三维热传导骨架制备方法（一）氧化石墨烯自组装法氧化石墨烯（GO）是石墨经过化学氧化和剥离后得到的单层材料，其片层表面含有大量含氧基团，具有良好的亲水性和分散性，能够在水溶液或有机溶液中均匀分散，这为氧化石墨烯自组装法制备石墨烯三维热传导骨架提供了基础。该方法主要通过GO在溶液中的自组装行为，借助外界条件促使其形成三维结构，常用的手段包括水热法、化学还原法和溶胶-凝胶法。水热法是在密封的压力容器中，以水为溶剂，在高温高压的条件下进行化学反应。在利用水热法制备石墨烯三维热传导骨架时，首先将GO分散在水中形成均匀的溶液，然后将该溶液转移至水热反应釜中，在高温（通常为100-200℃）高压的环境下，GO片层之间发生自组装和还原反应。随着反应的进行，GO片层逐渐聚集并相互连接，形成具有三维网络结构的石墨烯水凝胶。这种水凝胶经过冷冻干燥或超临界干燥等后续处理，去除其中的水分，即可得到三维石墨烯骨架。水热法制备的石墨烯三维结构具有较高的纯度和结晶度，内部孔隙结构丰富且分布均匀，有利于热传导通路的构建。但该方法也存在一些缺点，如反应条件较为苛刻，需要高温高压设备，制备过程能耗较大，且反应时间较长，不利于大规模生产。化学还原法是在GO悬浮液中加入还原剂，使GO被还原成还原氧化石墨烯（rGO），同时rGO片层之间发生堆叠和自组装，形成三维结构。常用的还原剂包括抗坏血酸钠、硫化铵、乙二胺等，这些还原剂相对温和，能够在较为温和的条件下实现GO的还原。以抗坏血酸钠为例，在制备过程中，将抗坏血酸钠加入到GO溶液中，在适当的温度（如90℃左右）下搅拌反应一段时间，GO即可被还原并自组装形成三维石墨烯结构。化学还原法操作相对简单，反应条件温和，不需要特殊的高压设备，成本较低且较为环保。然而，该方法在还原过程中可能会引入杂质，且难以完全去除残留的化学溶剂，这可能会对石墨烯三维骨架的热性能和稳定性产生一定影响。溶胶-凝胶法是通过将GO与特定的溶胶剂混合，在一定条件下使溶胶发生凝胶化过程，从而使GO片层在凝胶网络中固定并形成三维结构。具体操作时，先将GO分散在含有溶胶剂的溶液中，通过控制溶液的pH值、温度和反应时间等条件，促使溶胶逐渐转变为凝胶。在凝胶形成过程中，GO片层被包裹在凝胶网络内部，并通过相互作用形成三维骨架结构。最后，经过干燥和热处理等步骤，去除凝胶中的溶剂和杂质，得到纯净的石墨烯三维热传导骨架。溶胶-凝胶法制备的石墨烯三维结构具有较好的均匀性和可控性，能够精确调控骨架的微观结构和性能。但该方法的制备过程较为复杂，需要严格控制反应条件，且凝胶化过程耗时较长，对生产效率有一定影响。（二）化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是一种在高温和催化剂的作用下，利用气态的碳源（如甲烷、乙烯等）在模板表面发生化学反应，生成的碳原子逐渐沉积并生长成石墨烯的方法。在制备石墨烯三维热传导骨架时，通常需要使用具有三维结构的模板，如镍泡沫、MgO等，以引导石墨烯在模板表面生长并形成三维结构。以镍泡沫为模板的制备过程如下：首先将镍泡沫进行预处理，去除表面的杂质和氧化物，使其表面具有良好的活性。然后将预处理后的镍泡沫放置在化学气相沉积设备的反应腔内，通入气态碳源（如甲烷）和氢气等气体。在高温（通常为800-1000℃）和催化剂（如镍本身）的作用下，甲烷分解产生碳原子，这些碳原子在镍泡沫表面沉积并逐渐生长，形成石墨烯层。随着反应的持续进行，石墨烯不断在镍泡沫的三维孔隙结构表面生长，最终覆盖整个镍泡沫，形成三维石墨烯-镍泡沫复合材料。之后，通过化学腐蚀等方法去除镍泡沫模板，即可得到高纯度的三维石墨烯骨架。这种以镍泡沫为模板制备的石墨烯三维结构具有高度的连通性和丰富的孔隙结构，能够提供高效的热传导通道，在热管理领域具有很大的应用潜力，如可用于制备高性能的散热材料和热界面材料。以MgO为模板时，首先需要对MgO进行特殊处理，如煮沸和煅烧，使其表面形成具有波纹的多孔结构。这种特殊结构能够有效防止石墨烯片的团聚，为石墨烯的生长提供良好的基底。将处理后的MgO放置在化学气相沉积设备中，通入碳源气体进行反应。在反应过程中，碳原子在MgO表面沉积并生长成石墨烯，由于MgO表面的特殊结构，生成的石墨烯具有独特的多孔结构和高比表面积。这种具有特殊结构的石墨烯三维骨架在电化学领域展现出优异的性能，如用作超级电容器的电极材料时，能够表现出较高的电化学电容。化学气相沉积法制备的石墨烯三维结构具有晶体质量高、缺陷少、热导率高等优点，能够有效提高复合材料的热性能。然而，该方法也存在一些明显的缺点，如制备过程需要高温、高真空等特殊条件，设备昂贵，生产成本高，且制备过程复杂，产量较低，难以满足大规模工业化生产的需求。此外，模板的去除过程也可能会对石墨烯三维结构造成一定的损伤，影响其性能的稳定性。（三）其他创新方法除了上述两种常见的制备方法外，科研人员还开发了一些创新的方法来制备石墨烯三维热传导骨架，这些方法在构建独特结构和提升性能方面展现出了各自的优势。冰模板法是一种利用冰晶生长引导材料组装的方法。在制备石墨烯三维骨架时，首先将GO溶液逐滴滴入液氮中，在液氮的超低温环境下，液滴迅速冷冻成型，形成GO微球。由于冰晶在生长过程中具有方向性，会在GO溶液中形成一定的孔隙结构。随后对GO微球进行还原处理，如用水合肼还原，即可得到具有丰富多孔结构和高比表面积的石墨烯微球。将这些石墨烯微球进一步组装，可形成三维石墨烯骨架。冰模板法制备的石墨烯三维结构具有独特的孔隙结构，孔径大小和分布较为均匀，且制备过程绿色环保，操作相对简单。这种结构有利于提高材料的热导率和吸附性能，在热管理和吸附分离等领域具有潜在的应用价值。碱诱导自组装法是利用碱溶液对GO的作用，促使其发生自组装形成三维结构。在该方法中，将GO分散在碱溶液中，如氢氧化钠溶液，碱离子与GO表面的含氧基团发生相互作用，改变GO片层之间的电荷分布和相互作用力，从而引发GO片层的自组装。在自组装过程中，GO片层逐渐聚集并形成三维网络结构。通过控制碱溶液的浓度、反应时间和温度等条件，可以精确调控三维结构的形貌和性能。碱诱导自组装法具有制备过程简单、成本低等优点，能够制备出具有特定结构和性能的石墨烯三维热传导骨架，为石墨烯材料的制备提供了新的思路和方法。三、相变复合材料制备（一）材料选择相变材料的种类繁多，主要分为有机相变材料和无机相变材料，它们各自具有独特的性能特点，在选择时需要综合考虑多方面因素。常见的有机相变材料包括石蜡、脂肪酸、聚乙二醇等。石蜡是一种典型的有机相变材料，由多种烷烃混合而成，化学性质相对稳定，不易与其他物质发生化学反应，使用安全可靠。其相变温度范围较广，一般在30℃-80℃之间，这使得它能适用于许多不同的应用场景，如在建筑保温领域，可有效调节室内温度。此外，石蜡价格相对较低，来源广泛，便于大规模应用。脂肪酸类相变材料的相变温度通常在40℃-60℃之间，相变潜热较大，在能量储存和温度调节方面潜力巨大，且具有良好的生物相容性，在生物医药领域有潜在应用价值，如用于药物缓释系统。然而，有机相变材料也存在一些明显的缺点，其导热系数普遍较低，这限制了热量的快速传递，在对散热要求较高的应用场景中可能无法满足需求；单位体积的储热能力相对较弱，意味着在相同体积下储存的能量较少；部分有机相变材料还具有易燃性，存在一定的安全隐患。无机相变材料主要包括水合盐、金属合金等。水合盐通常含有结晶水，在相变过程中，结晶水的失去或获得伴随着热量的吸收或释放，相变潜热较大，且相变温度相对固定，在对温度控制要求严格的领域，如太阳能热水器的储热系统中应用广泛。金属合金如镓基合金，具有较低的熔点，在室温附近就能发生相变，虽然相变潜热相对较小，但其导热性能极佳，能够快速地吸收和释放热量，在电子设备的散热领域具有独特的应用价值，可用于高性能计算机CPU的散热。不过，无机相变材料在使用中也面临一些问题，例如水合盐容易出现过冷和相分离现象，这会影响其性能的稳定性，通常需要添加成核剂和增稠剂来解决；部分无机相变材料还可能具有腐蚀性，对储存容器和与之接触的材料有一定的要求。在选择相变材料时，需要根据具体的应用需求来确定。如果应用场景对温度控制的精度要求较高，且相变温度在水合盐的相变温度范围内，那么水合盐可能是一个合适的选择，但其过冷和相分离问题需要通过添加相应的添加剂来解决。对于需要长期稳定储存能量，且对安全性要求较高的场合，如建筑储能，石蜡等有机相变材料是不错的选择，虽然其导热系数低，但可以通过与高导热材料复合的方式来改善。在电子设备散热领域，由于需要快速散热，金属合金等导热性能好的无机相变材料则更为适用。（二）制备工艺真空浸渍法：真空浸渍法是制备相变复合材料的常用方法之一，该方法主要利用真空环境下的压力差，使相变材料能够充分填充到多孔的石墨烯三维热传导骨架中。以制备石蜡-石墨烯相变复合材料为例，其具体制备流程如下：首先，对石墨烯三维热传导骨架进行预处理，去除表面的杂质和污染物，以提高其表面活性和吸附性能。可采用超声清洗的方式，将石墨烯骨架放入合适的有机溶剂中，如乙醇，超声处理一段时间，使表面的杂质充分脱离，然后进行干燥处理。接着，将预处理后的石墨烯骨架放入真空干燥箱中，抽真空至一定程度，通常真空度达到10-3-10-2Pa，以排除骨架孔隙内的空气。与此同时，将石蜡加热至熔点以上，使其变为液态，以便于浸渍。在达到预定的真空度后，将液态石蜡缓慢倒入装有石墨烯骨架的容器中，确保石蜡能够完全覆盖骨架。保持真空状态一段时间，一般为1-3小时，使石蜡在压力差的作用下充分浸渍到石墨烯骨架的孔隙中。浸渍完成后，缓慢恢复常压，然后将样品从真空干燥箱中取出，自然冷却或采用适当的冷却方式，使石蜡凝固，从而得到石蜡-石墨烯相变复合材料。在整个制备过程中，真空度、浸渍时间和温度是关键参数。真空度直接影响到浸渍的效果，较高的真空度能够使更多的石蜡进入石墨烯骨架孔隙；浸渍时间决定了石蜡浸渍的充分程度，时间过短可能导致浸渍不完全，时间过长则会影响生产效率；温度则影响着石蜡的流动性和浸渍速度，需要根据石蜡的熔点和实际情况进行合理控制。同轴静电纺丝技术：同轴静电纺丝技术是一种能够制备核-壳结构相变复合材料的先进方法，该方法通过特殊的喷头设计，使两种不同的溶液分别形成内层和外层，在电场力的作用下，溶液被拉伸成纤维并沉积在接收装置上，从而形成具有核-壳结构的相变复合纤维。以制备聚乙二醇（PEG）为核层、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为壳层的相变复合纤维为例，其制备过程如下：首先，分别配制核层和壳层的纺丝液。将PEG溶解在合适的有机溶剂中，如二氯甲烷，通过搅拌和加热等方式，使其充分溶解，形成均匀的核层纺丝液，PEG的浓度一般控制在10%-30%（质量分数）。将PVP溶解在另一种有机溶剂中，如N，N-二甲基甲酰胺，同样通过搅拌使其充分溶解，形成壳层纺丝液，PVP的浓度通常在15%-25%（质量分数）。然后，将配制好的核层和壳层纺丝液分别装入同轴静电纺丝设备的内层和外层注射器中。设置静电纺丝的工艺参数，如电压一般为15-25kV，接收距离为10-20cm，内层溶液的推进速度为0.05-0.2mL/h，外层溶液的推进速度为0.2-0.8mL/h。在电场力的作用下，内层的PEG溶液和外层的PVP溶液被拉伸成纤维，并在接收装置上沉积，形成核-壳结构的相变复合纤维。最后，对收集到的复合纤维进行后处理，如在真空干燥箱中干燥，去除残留的有机溶剂，提高纤维的性能稳定性。在同轴静电纺丝技术中，纺丝液的浓度、电压、接收距离和溶液推进速度等参数对复合纤维的形态和性能有着重要影响。纺丝液浓度过高会导致纤维直径增大，甚至出现堵塞喷头的情况；浓度过低则会使纤维的力学性能变差。电压的大小决定了电场力的强弱，影响纤维的拉伸程度和直径；接收距离影响纤维的飞行时间和沉积效果；溶液推进速度则控制着纤维的生成速率和核-壳结构的比例。四、性能研究与分析（一）热传导性能石墨烯三维热传导骨架对复合材料热导率的提升机制主要基于其独特的结构和高本征热导率。石墨烯具有极高的热导率，理论值可达5300W/(m・K)，其二维平面内的碳原子通过共价键紧密结合，形成了规整的六边形蜂窝状结构，这种结构为声子的传播提供了高效的通路，使得热量能够快速传递。当石墨烯构建成三维热传导骨架时，其相互连接的片层结构在复合材料内部形成了连续的热传导网络。相变材料填充在这个网络的孔隙中，与石墨烯骨架紧密接触，从而能够借助石墨烯的高热导率迅速传导热量。在石蜡-石墨烯相变复合材料中，石墨烯三维骨架就像高速公路一样，将石蜡相变过程中吸收或释放的热量快速传递出去，大大提高了复合材料的热传导效率。不同制备方法所得材料的热导率数据存在显著差异。通过氧化石墨烯自组装法制备的石墨烯三维热传导骨架，由于自组装过程中相邻石墨烯片之间主要通过弱的范德华力、氢键以及π-π键相互作用，这些较弱的相互作用导致了大量的声子散射。同时，以氧化石墨烯溶液为前驱体制备的三维石墨烯结构中，氧化石墨烯往往不能完全被还原，片层上残留的大量含氧官能团会增加界面热阻，使得热导率受到较大影响。采用水热法制备的石墨烯三维骨架，在石墨烯负载量为5%时，其复合材料的热导率可能仅为1.5W/(m・K)左右。化学气相沉积法制备的石墨烯三维热传导骨架，由于其制备过程中石墨烯之间通过共价键连接，为声子的转移提供了快速通道，且制备的石墨烯具有更好的晶体结构，含氧基团和结构缺陷较少，因此在优化复合材料热导率方面表现更为出色。以镍泡沫为模板通过化学气相沉积法制备的石墨烯三维骨架，当石墨烯负载量达到5%时，其复合材料的热导率可达到3.0W/(m・K)以上，明显高于氧化石墨烯自组装法制备的材料。冰模板法制备的石墨烯三维结构具有独特的多孔结构，孔径分布均匀，这种结构有利于热量的传导，在较低的石墨烯负载量下就能实现较好的热导率提升效果。在石墨烯负载量为3%时，其复合材料的热导率可以达到2.0W/(m・K)左右，展现出良好的热传导性能。碱诱导自组装法制备的石墨烯三维热传导骨架，通过精确控制碱溶液的浓度、反应时间和温度等条件，可以调控其结构和性能，制备出的复合材料在热导率方面也具有一定的优势，在合适的制备条件下，热导率可与冰模板法制备的材料相媲美。（二）储能性能相变材料的相变潜热是衡量其储能能力的重要指标，它表示单位质量的相变材料在相变过程中吸收或释放的热量。不同类型的相变材料具有不同的相变潜热，有机相变材料中的石蜡，其相变潜热一般在150-250J/g之间，这意味着每克石蜡在相变过程中能够吸收或释放150-250焦耳的热量，可用于储存或释放大量的热能，在建筑保温和太阳能储能等领域有广泛应用。脂肪酸的相变潜热通常在180-220J/g左右，其相变温度范围相对较窄，在一些对温度控制精度要求较高的储能场景中具有应用价值。无机相变材料中的水合盐，相变潜热较大，部分水合盐的相变潜热可达300-400J/g，但其存在过冷和相分离等问题，需要添加成核剂和增稠剂来解决。储能效率则反映了相变材料在实际应用中储存和释放能量的有效程度，它受到多种因素的影响，包括相变材料的热导率、与容器壁的接触热阻、相变过程中的过冷和过热现象等。热导率较低的相变材料，在吸收和释放热量时速度较慢，导致储能和释能过程耗时较长，从而降低了储能效率。如果相变材料与容器壁之间存在较大的接触热阻，热量在传递过程中会有较大的能量损失，也会影响储能效率。石墨烯骨架对储能性能有着重要的影响。一方面，石墨烯的高导热性能够有效改善相变材料的热传导性能，减少相变过程中的温度梯度，使相变材料能够更快速、均匀地吸收和释放热量，从而提高储能效率。在石蜡-石墨烯相变复合材料中，石墨烯骨架能够快速将热量传递到石蜡内部，使石蜡迅速达到相变温度，缩短了储能和释能的时间。另一方面，石墨烯三维骨架的多孔结构可以为相变材料提供更多的储存空间，并且能够通过毛细作用将液态相变材料固定在孔隙中，有效防止相变材料在相变过程中的泄漏，提高了材料的稳定性和可靠性，间接保障了储能性能的稳定发挥。（三）稳定性与耐久性复合材料在多次热循环过程中，其性能的稳定性至关重要。随着热循环次数的增加，相变材料可能会发生性能退化，如相变潜热减小、相变温度漂移等。这是因为在反复的加热和冷却过程中，相变材料内部的分子结构可能会发生变化，导致其储能能力下降。复合材料中的界面也可能会受到热应力的影响，导致石墨烯与相变材料之间的结合力减弱，影响热传导性能和整体稳定性。研究表明，经过500次热循环后，一些未添加石墨烯骨架的相变复合材料，其相变潜热可能会下降10%-20%，而添加了石墨烯三维热传导骨架的复合材料，相变潜热的下降幅度可控制在5%以内，展现出更好的热稳定性。在不同环境条件下，如高温、高湿度、强酸碱等，复合材料的耐久性也面临挑战。高温环境可能会加速相变材料的老化和分解，降低其使用寿命；高湿度环境可能会使相变材料吸收水分，影响其性能；强酸碱环境则可能会腐蚀复合材料的组成部分，破坏其结构。对于含有石墨烯骨架的相变复合材料，石墨烯的化学稳定性和耐腐蚀性能可以在一定程度上保护相变材料，提高复合材料在恶劣环境下的耐久性。在高湿度环境中，石墨烯骨架能够阻止水分进入相变材料内部，保持其性能稳定；在强酸碱环境中，石墨烯的耐腐蚀性能可以防止骨架被腐蚀，维持复合材料的结构完整性。五、应用领域与案例分析（一）电子设备热管理在电子设备领域，散热问题一直是制约其性能提升和可靠性的关键因素。随着智能手机、电脑等设备的功能不断增强，芯片的运算速度和集成度大幅提高，运行时产生的热量也急剧增加。如果不能及时有效地散热，芯片温度过高会导致设备性能下降、运行不稳定，甚至出现死机、硬件损坏等问题。石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料的出现，为解决电子设备散热问题提供了有效的解决方案。以手机为例，iPhone16系列首次引入了革命性的石墨烯散热系统，这一创新设计从根本上解决了手机过热的问题。石墨烯以其极高的热传导性，能够迅速将芯片产生的热量分散到手机外壳上，大幅降低芯片温度，确保手机在高负荷运行时依然保持冷静。结合苹果对机身结构的优化和新型金属电池外壳的采用，iPhone16系列在散热方面达到了前所未有的水平，为用户提供了更加持久和稳定的使用体验。在实际使用中，当用户长时间玩大型游戏或进行多任务处理时，手机的处理器等核心部件会高速运行，产生大量热量。传统的散热材料难以快速将这些热量散发出去，导致手机温度迅速升高，出现屏幕亮度降低、帧率下降等现象，严重影响用户体验。而采用石墨烯散热系统的iPhone16系列，能够快速将热量传导出去，使手机在长时间高负荷运行下，温度仍能保持在合理范围内，有效避免了性能下降的问题，为用户带来了流畅的游戏和使用体验。在电脑芯片散热方面，北京大学刘忠范教授团队开发的三维结构石墨烯热传输功能材料展现出了卓越的性能。通过氢气辅助PECVD工艺（H2-PECVD）策略制备的具有发射率高达～0.98的多级分支结构的石墨烯（BVG），以及通过电场辅助PECVD工艺（EF-PECVD）制备的垂直取向的石墨烯（OVG），在芯片散热中发挥了重要作用。OVG沉积在芯片与散热器的接触界面上，作为热传导增强层，促进热量从芯片快速传递到散热片；BVG则沉积在散热器的翅片表面，作为热辐射增强层，促进热量从散热器快速辐射到周围空气中。利用这种设计理念，可以共同增强芯片冷却系统中的两个关键界面，实现了～30.7%的显著冷却效率提升。在实际应用中，搭载这种石墨烯热传输功能材料的电脑芯片，在进行复杂的图形渲染、大数据处理等高负载任务时，能够有效降低芯片温度，提高电脑的运行速度和稳定性，减少因过热导致的死机和系统崩溃现象，为用户提供了更加高效和可靠的使用环境。（二）能源存储与转换在太阳能存储领域，有机相变材料由于其高潜在焓、低腐蚀性和优异的稳定性而具有巨大的太阳能利用潜力。然而，传统有机相变材料存在对太阳能的响应能力弱、形状稳定性不足以及导热性差等问题，限制了其在太阳能存储中的应用。华南理工大学张心亚研究员针对这一问题，通过冰模板法和协同作用构建了具有优异导热增强效率的风干石墨烯骨架（AGS），随后通过真空浸渍n-Docosane（C22）在AGS中得到风干石墨烯相变复合材料（AGP）。这种协同作用有效地降低了AGS内部石墨烯片间的声子散射，并将AGS的密度提高到0.1701g/cm³。当石墨烯骨架负载为23.82wt.%时，AGP的导热系数为9.867W/(m・K)，电导率为68.08S/cm，具有优异的形状稳定性。AGP的熔化焓为188.5J/g，光热转换效率为93.98%，显示出巨大的太阳能利用潜力。在实际的太阳能存储系统中，AGP能够快速吸收太阳能并将其转化为热能储存起来，在需要时又能迅速释放热量，为太阳能的高效利用提供了有力支持，有效提高了太阳能存储和利用的效率。在电池热管理方面，锂离子电池在充放电过程中会产生大量热量，过高的温度会影响电池性能和寿命，甚至引发安全事故。热传导材料能够快速将电池产生的热量导出，降低电池温度，提高电池的效率和安全性。石墨烯具有优异的导热性能，能够快速导出电池产生的热量，防止电池过热甚至发生热失控。将石墨烯与相变材料复合制成的电池热管理材料，能够在电池温度升高时，通过相变材料的相变过程吸收热量，从而更有效地控制电池温度。在电动汽车的电池组中，使用这种石墨烯-相变复合材料进行热管理，能够确保电池在不同的工作条件下都能保持稳定的性能，延长电池寿命，提高电动汽车的续航里程和安全性。（三）其他潜在应用在建筑节能领域，石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料也具有巨大的应用潜力。相变材料可以在温度变化时吸收或释放热量，调节室内温度，减少空调、供暖等设备的能耗。将石墨烯与相变材料复合，能够提高材料的热导率，使相变材料更快地响应温度变化，更有效地调节室内温度。在夏季，当室内温度升高时，相变复合材料能够吸收热量并储存起来，降低室内温度；在冬季，当室内温度降低时，相变复合材料又能释放储存的热量，提高室内温度，从而实现建筑的节能降耗。使用这种材料的建筑，相比传统建筑，能耗可降低20%-30%，为实现绿色建筑目标做出重要贡献。在航空航天领域，对材料的性能要求极为苛刻，需要材料具备高强度、低密度、高导热性等特性。石墨烯三维热传导骨架具有超高的强度和良好的热导率，能够满足航空航天领域对材料的要求。在航天器的热管理系统中，石墨烯三维热传导骨架可以作为散热材料，迅速将电子设备产生的热量散发出去，确保设备在极端环境下正常运行。在卫星的电子设备舱中，使用石墨烯散热材料能够有效降低设备温度，提高设备的可靠性和使用寿命，保障卫星的正常运行。同时，石墨烯的高强度和低密度特性，还可以用于制造航空航天结构件，减轻飞行器的重量，提高其载荷能力和飞行性能。六、挑战与展望（一）现存挑战尽管石墨烯三维热传导骨架和相变复合材料在研究和应用方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。在制备成本与大规模生产方面，目前许多制备石墨烯三维热传导骨架的方法，如化学气相沉积法，需要高温、高真空等特殊条件，设备昂贵，生产过程复杂且能耗高，导致制备成本居高不下，难以实现大规模工业化生产。氧化石墨烯自组装法中的一些工艺，虽然相对简单，但反应时间长，产量有限，也不利于大规模生产。这使得石墨烯三维热传导骨架在实际应用中的推广受到限制，难以满足市场对低成本、大规模材料的需求。性能优化方面也存在瓶颈。虽然石墨烯本身具有优异的性能，但在与相变材料复合时，由于两者之间的界面相容性问题，难以充分发挥各自的优势，导致复合材料的综合性能提升有限。石墨烯与相变材料之间的界面结合力较弱，在热循环过程中容易出现界面分离，影响热传导和储能性能。相变材料的过冷和相分离现象也尚未得到完全解决，这会降低材料的储能效率和稳定性，限制了其在一些对性能要求较高领域的应用。（二）未来展望未来，随着研究的不断深入，石墨烯三维热传导骨架和相