신소재: 고각방향 이성 열전도 그래핀 복합재료 광전열 협동 제어 실현

중국과학원 허페이물질과학연구원 고체물리연구소 왕전양팀은"3D 프린팅 구조 설계-레이저 인터페이스 공정-척도 간 성능 조절"설계 사고방식에 근거하여 고각방향 이성 열전도비, 고광열/전열 전환 효율이 양호한 소수성과 기계 성능을 겸비한 그래핀/폴리머 복합재료 이중 구조를 개발하였다.

그래핀 조각의 각방향 이성 열전도 성능을 이용하기 위해 이중 노즐 용융 퇴적 성형 3D 프린팅 기술을 사용하여 그래핀 정방향 배열을 실현하고, 그래핀이 열가소성 폴리우레탄과 순수 열가소성 폴리우레탄으로 구성된 이중 구조를 강화하며, 그래핀 가소성 폴리우레탄 이중 구조의 정방향 열전도와 열저장 효과를 평가했다.연구에 따르면 비교적 큰 크기의 그래핀은 형성된 련속적인 열전도경로로 하여 면내의 열전도성능을 강화하였다.상층 그래핀 강화 열가소성 폴리우레탄 복합재료 IP 방향에서 열전도율 4.54W/(m·K)，TP 방향 열전도율의 약 6배이며, 동시에 순수 열가소성 폴리우레탄 하층부는 이 성능을 한층 더 향상시켜 그래핀이 열가소성 폴리우레탄 이중 구조를 강화하여 약 8의 각방향 이성 열전도비를 나타낸다.

복합재료의 각방향 이성 열전도 성능을 향상시키기 위해 레이저 유도 처리 3D 프린팅을 사용한 그래핀으로 열가소성 폴리우레탄 이중 구조를 강화하는 것을 연구한다.연구 결과, 레이저 처리는 복합체 중의 그래핀 조각의 취향과 이중 구조의 완전성을 보존하고, 그래핀 네트워크를 노출하고 재구성하여 열가소성 폴리우레탄 탄화층을 형성하고 그 결함 상태를 조절하며, 각방향 이성 전도성과 각방향 이성 전도비를 향상시켰다.레이저 처리로 중합체 기체를 분해한 후 복합재료 표면에 형성된 미척도 구조와 거친 표면은 재료 표면의 소수성을 높여 입사광이 여러 차례 반사되어 광정을 연장하고 광열 전환 효율을 강화한다.

이 작업은 유한원 분석과 분자동력학 시뮬레이션을 결합해 용융 퇴적 성형 프린팅 모델과 레이저 처리 분해 폴리머 과정을 연구하고 최적화해 비행체 날개 표면과 건물 외벽 안테나 태양광 패널의 제빙 방빙 등 응용에 새로운 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

관련 연구 성과는'카본'(Carbon)과'화학공학 저널'(Chemical EngineeringJournal)에 게시되어 있습니다.연구사업은 국가중점연구개발계획과 국가자연과학기금의 지지를 받았다.