【前言背景】
隨著電子設(shè)備向高功率密度和高集成度的方向發(fā)展，散熱正逐漸成為制約電子設(shè)備高效率和壽命的主要問題。因此如何實(shí)現(xiàn)高效的散熱正逐漸成為研究的重要方向，而定向傳熱被認(rèn)為是解決電子設(shè)備的散熱的重要途徑。
近日，上海第二工業(yè)大學(xué)節(jié)能與新能源材料研究團(tuán)隊(duì)對二維材料的各向異性傳熱特性進(jìn)行了概述。文章主要介紹了二維材料的本征各向異性傳熱，影響因素和控制手段；二維材料薄膜的制備方法及宏觀各向異性熱性能的影響因素；二維材料在基體中的定向排列技術(shù)以及復(fù)合材料宏觀各向異性熱性能的影響因素。相關(guān)綜述以”Anisotropic heat transfer properties of two-dimensional
materials”為題發(fā)表于《Nanotechnology》上。 （DOI：https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdb15）該工作的第一作者為上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生楊家偉。通訊作者分別為上海第二工業(yè)大學(xué)于偉教授，共同通訊作者為邵陽學(xué)院劉長青副教授。
圖1. 各向異性二維傳熱材料的分類與應(yīng)用
【二維材料的本征各向異性傳熱特性】
二維材料，例如石墨烯，氮化硼（BN），黑磷（BP），層狀過渡金屬化合物和Mxene，由于其獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)而具有顯著的各向異性傳熱特性。它主要受二維材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面狀態(tài)的影響，當(dāng)然制備方法的影響也非常大。例如二維材料的本征各向異性熱輸運(yùn)可以通過熱還原和化學(xué)處理來調(diào)節(jié)。圖2顯示了常見的二維材料本征各向異性傳熱特性的影響因素和控制手段。
【薄膜材料】
圖2. 二維材料制備方法以及影響各向異性傳熱的因素
圖3. 不同方向上BNNs和hBNNs的熱性能、不同方向上的散熱表現(xiàn)
圖4. BP納米帶的制備及其各向異性特點(diǎn)
圖3和圖4分別顯示了兩種不同的二維材料氮化硼和黑磷的各向異性熱輸運(yùn)的特點(diǎn)。在不同的方向上熱導(dǎo)率呈現(xiàn)不同的值，而且長度和厚度也對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。通過對二維材料各向異性熱輸運(yùn)特點(diǎn)的討論，分析影響二維熱性能的因素，而通過調(diào)整和控制這些因素可以有效的實(shí)現(xiàn)二維材料各向異性熱輸運(yùn)，從而為提高電子器件的散熱提供新的途徑。
【二維薄膜材料】
由二維材料作為基質(zhì)或填料組成的薄膜同樣具有出色的各向異性熱性能。研究發(fā)現(xiàn)可以使用一些相關(guān)的合成工藝，例如化學(xué)氣相沉積，逐層組裝，靜電紡絲和真空輔助過濾來獲得二維復(fù)合膜。二維薄膜的各向異性熱特性受其自身尺寸和表面特性的影響，除此之外，二維材料在膜中的排列也可以影響各向異性熱導(dǎo)率。
圖5.純CNF和Ti3C2 / CNF復(fù)合膜在不同方向上的熱性能
在目前的研究中發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率對溫度有一定的依賴性。隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)在各向異性方面也表現(xiàn)出不同的特性。隨著溫度升高，Ti3C2 / CNF膜的熱導(dǎo)率也增加。如圖5，二維復(fù)合膜的熱導(dǎo)率高于純CNF的熱導(dǎo)率，但面內(nèi)熱導(dǎo)率高于法相熱導(dǎo)率，顯示出熱輸運(yùn)的各向異性。
【基于二維復(fù)合材料的宏觀各向異性傳熱性能】
基于具有各向異性傳熱的二維材料作為填料來制備復(fù)合材料，在智能熱管理中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。二維材料各向異性傳熱特性可以通過磁場，電場和模板方法的定向調(diào)制來優(yōu)化，例如可以通過選擇的模板制備具有所需結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。通過宏觀調(diào)控二維材料的熱性能，更好地服務(wù)于智能設(shè)備（如電子設(shè)備）的熱管理（圖6）。
圖6.基于二維材料作為填料制備的復(fù)合材料的宏觀各向異性傳熱性能的調(diào)控與應(yīng)用
圖7.通過磁場進(jìn)行調(diào)控石墨烯懸浮液
通過磁場和電場外界調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)二維材料的各向異性分布，從而產(chǎn)生各向異性的熱傳輸。如圖7所示為磁場調(diào)節(jié)下形成各向異性的石墨烯懸浮液。除此之外，二維材料也可以通過模板法構(gòu)建各向異性特性，常見的模板法由冰模板法、定向組裝、冷凍干燥等。通過宏觀的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)材料熱性能的各向異性，從而為加速電子設(shè)備散熱提供更多途徑，拓寬熱管理的應(yīng)用。
【展望】
作者對二維材料的發(fā)展提出一下幾點(diǎn)展望：（1）如何獲得高質(zhì)量的二維材料，同時(shí)成本處于可控范圍； （2）目前測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法和方法還不夠準(zhǔn)確，而且非常復(fù)雜，未來將探索新的方法來提高其導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度； （3）目前對一些新的二維材料的本征熱導(dǎo)率的研究還不夠充分。一些二維材料（例如Mxene，過渡金屬二維材料）缺少有關(guān)缺陷和影響尺寸的數(shù)據(jù)； （4）二維材料各向異性傳熱特性的機(jī)理研究的還不充分； （5）如何進(jìn)行高質(zhì)量薄膜材料的制備以及對宏觀各向異性傳熱的控制； （6）未來將尋找更好的定向排列技術(shù)來調(diào)節(jié)其宏觀二維材料的各向異性熱輸運(yùn)。