可焊接石墨烯泡沫助力宽范围热开关 | Cell Press论文速递

摘要：电气设备在复杂环境中的动态热管理需求日益提升，传统单一功能的散热/隔热材料已难以满足高低温场景的多样化需求。智能热开关虽具可调热传递潜力，但其二元操作模式及电场/磁场调控策略存在开关比低、热导率离散等局限。基于多孔弹性材料的应变响应型热开关虽具备连续可逆的压缩

物质科学

Physical science

电气设备在复杂环境中的动态热管理需求日益提升，传统单一功能的散热/隔热材料已难以满足高低温场景的多样化需求。智能热开关虽具可调热传递潜力，但其二元操作模式及电场/磁场调控策略存在开关比低、热导率离散等局限。基于多孔弹性材料的应变响应型热开关虽具备连续可逆的压缩热调控特性，但其调节范围与开关比仍需突破。石墨烯凭借超高热导率与力学性能成为理想候选，然而现有石墨烯泡沫热开关受限于宏观尺寸、界面结合及结构均匀性等问题，热性能提升亟待解决。

2025年5月12日，武汉理工大学何大平教授团队等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表以“Weldable graphene foams for wide-range thermal switches”为题的研究论文，报道了一种能够拓宽石墨烯泡沫应变响应热开关热调节范围的可行方法。

实现了弹性石墨烯泡沫的可扩展焊接。多层石墨烯泡沫具有宽广的热阻调节范围（15.49-604.85 cm2 K W-1），开关比高达39。石墨烯泡沫在动态热管理中表现出卓越的性能。

要点1：单层弹性石墨烯泡沫的制备与性能

研究者基于气泡模板法，通过调控前驱体氧化石墨烯（GO）浓度，有效延缓干燥过程中Ostwald熟化效应，成功制备出具有丰富多孔结构的单层石墨烯泡沫（S-GF）。该材料在0-80%弹性应变范围内展现出优异回弹性，热阻抗可从83.83 cm²K/W显著降至2.67 cm²K/W，开关比达31.4。经500次压缩循环后，其结构仍然保持完整，为多层结构构建提供了稳定的基础单元。

图1. S-GF的力热学性能

要点2：多层石墨烯泡沫的焊接组装与热学性能优化

采用GO水溶液作为界面粘结剂，利用干燥过程中氢键自愈合效应与毛细作用力，将单层氧化石墨烯泡沫（GOF）焊接成大厚度多层石墨烯泡沫（M-GFs）。七层的M-GFs在弹性应变范围内实现热阻抗604.85-15.49 cm²K/W的连续可逆调节，开关比提升至39。M-GFs不仅保留了S-GF的力学特性，而且展现出可扩展的热学性能。