5月25日，物理科学与工程学院声子学中心陈杰教授课题组在《Rare Metals》在线发表了题为“Carbon honeycomb structure with high axial thermal transport and strong robustness”的研究论文，系统研究了碳蜂巢结构的轴向热输运性能及其影响因素。
图(a) 碳蜂巢结构模拟设置示意图（插图）以及碳蜂巢结构轴向热导率随体系长度的变化关系；图(b) 碳蜂巢结构轴向以及少层石墨烯面外方向的归一化的声子透射谱；图(c) 碳蜂巢结构以及单层石墨烯面内和轴向热导率随结构无序度的变化；图(d) 不同面内无序度下碳蜂巢结构轴向的归一化的声子透射谱。
近年来，随着材料合成以及制备技术的迅速发展，基于低维纳米材料的热管理系统已经应用于实际生产以及现代工业的诸多领域，在热能的传输、转换和控制等方面发挥着至关重要的作用。同时，实际应用也对热管理材料的性能及其大规模制备提出了更为严峻的挑战。因此，设计和制造具有更强热输运性能的低维纳米材料及其复合体系已经成为了亟待解决的问题。在这一领域，种类丰富且具有优异面内热输运性能的二维材料，例如，石墨烯以及六方氮化硼等，为提高纳米复合材料多维度的热输运性能提供了有利条件。其中，一种新型的石墨烯基复合材料——碳蜂巢结构因其优异的机械性能、较高的孔隙率等特点，在能量转换以及储氢性能上引发了研究人员的广泛兴趣。更重要的是，得益于其组分石墨烯片极高的面内热导率，碳蜂巢结构能够极大地改善少层石墨烯在面外方向热传导能力的不足，从而在多维度改善低维纳米材料的热输运性能。同时，在实际材料制备过程中不可避免地会引入结构的无序度或不规则性，导致材料中声子散射强度增大，这对低维纳米材料的热传导性能将产生极强的抑制作用。因此，结构无序度对碳蜂巢结构面内以及轴向热导率的影响值得深入研究和分析。
我院声子学中心陈杰教授团队建立了一种以共价键连接的新型碳蜂巢结构模型，并采用非平衡态分子动力学模拟方法，证实了碳蜂巢结构超高的轴向热输运性能，在室温下本征轴向热导率高达746 Wm-1K-1，已经可与单层悬空的六方氮化硼等具有优异导热性能的二维材料相媲美。通过比较碳蜂巢结构轴向和少层石墨烯沿垂直平面方向的声子透射谱，揭示了碳蜂巢结构具有超高轴向热导率的物理起源。相较于常见的一维碳纳米管以及二维材料体系，碳蜂巢结构不仅具有多维度的良好热输运能力，同时也具备较大的热接触面积，这使得碳蜂巢结构在纳米复合材料热管理领域具有巨大的应用潜力。在结构无序度对体系热导率的影响方面，通过与石墨烯做对比，我们发现碳蜂巢结构面内热导率对面内无序度的敏感性较小。例如，30%结构无序引起碳蜂巢结构中面内热导率的下降仅为26%，而石墨烯中热导率下降高达74%。该结果表明，碳蜂巢结构中面内热传导对混乱的结构具有一定程度的鲁棒性。更值得注意的是，碳蜂巢结构中沿轴向超强的热输运性能对结构无序则具有更强的鲁棒性。我们的模拟结果表明，即使无序程度高达60%，碳蜂巢结构轴向热导率降低不到10%。这种微小变化表明，碳蜂巢结构沿轴向的热输运与沿面内方向的结构无序度几乎是解耦的。这是因为在碳蜂巢结构中引入结构无序仅重组了石墨烯侧壁的形状，但石墨烯侧壁之间的共价连接方式未发生变化。我们的结果证实了这种新型石墨烯基复合材料在多维热传输性能方面均具有优异的鲁棒性，并且轴向热输运性能对于面内结构无序的鲁棒性上则表现得更加优异。
我校物理科学与工程学院2019级博士生任卫君为论文第一作者，陈杰教授为论文唯一通讯作者。
该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和上海市科委等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s12598-023-02314-z
