《石墨烯氣凝膠導熱性能的多尺度理論建模與實驗研究》是依託東南大學，由鞏峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯氣凝膠導熱性能的多尺度理論建模與實驗研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鞏峰
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
石墨烯氣凝膠具有極高的比表面積和優越的導電性，在儲能、環保、催化、航天等領域具有重要的套用潛力。石墨烯氣凝膠出色的機械、電學和化學性能來源於石墨烯本身優異的物理和化學特性。然而，石墨烯氣凝膠的熱導率卻很低（~0.1 W/mK），往往不及石墨烯自身熱導率的萬分之一（~5000 W/mK）。雖然目前針對石墨烯氣凝膠的低熱導率有一些定性解釋，但因其結構複雜，尚無有效的理論模型來定量研究石墨烯氣凝膠熱導率的物理機制和影響因素。本項目將利用分子動力學和蒙特卡洛算法，建立多尺度模型來模擬熱量在石墨烯氣凝膠中的傳輸，以準確預測其熱導率，並定量研究影響石墨烯氣凝膠熱導率的關鍵因素。根據定量研究結果，結合實驗設計與製備具有不同熱導率的多功能石墨烯氣凝膠，實現氣凝膠更廣泛的套用，如：低熱導率的氣凝膠作為航天及建築領域的保溫材料；高熱導率的氣凝膠作為微納器件的熱界面材料和散熱材料。
結題摘要
本項目針對石墨烯氣凝膠低密度、低導熱、高孔隙率的獨特性能，開展了針對具有複雜形貌的石墨烯氣凝膠導熱性能的多尺度理論與實驗研究。採用微觀分子動力學方法，系統的研究了熱量在石墨烯中的傳輸機制與過程，揭示了石墨烯微觀形貌、層間距、以及溫度對其傳熱過程的影響規律與機制。研究發現隨著石墨烯表面缺陷、石墨烯層間距以及溫度的升高，石墨烯的熱導率呈下降的趨勢，石墨烯熱導率的下降來源於其表面聲子散射的加劇以及層與層之間耦合的減弱。採用巨觀有效介質理論，研究了熱量在三維巨觀石墨烯氣凝膠中的傳輸機制，系統的研究了石墨烯的形貌、本徵熱導率、界面熱阻、石墨烯濃度等對氣凝膠熱導率的影響規律與機制，結合閾值理論，提出了用於研究具有複雜形貌的石墨烯氣凝膠及其複合材料導熱性能的理論模型，經過理論與實驗結果的相互驗證，為實驗人員提供了一種預測多相複合材料熱導率的簡便有效方法。根據理論計算的結果，採用改進的低溫水熱工藝製備石墨烯氣凝膠，所製備的氣凝膠具有低密度（0.015g/cm3）、高承重比（＞10000）、低熱導率（＜0.04 W/mK）、高比表面積（~182.8 m2/g）等優良特性。通過複合商業化的納米材料，如MoS2等，實現了對石墨烯氣凝膠熱導率和電導率的調控，在增加0.2%的商業化MoS2粉末後，石墨烯氣凝膠熱導率提升了30%，這得益於均勻分散的MoS2降低了石墨烯納米片之間的界面熱阻，進而提高了氣凝膠的熱導率。鑒於水熱法製備氣凝膠耗時較長、難以批量化製備等瓶頸問題，研究開發了基於冷凍鑄造的新型氣凝膠製備工藝，通過合成裝置的巧妙設計，實現了氣凝膠中石墨烯納米片的定向排布，獲得了石墨烯氣凝膠更獨特的性能。將製備的石墨烯氣凝膠套用於光熱污水處理/海水淡化的研究，發現石墨烯氣凝膠表現出卓越的污水處理/海水淡化性能，其水蒸氣產生速率高達1.8 kg/m2h以上，光熱轉換效率高達90%以上。室外實驗研究表明，本項目設計製備的石墨烯氣凝膠材料可以實現在自然光下淨水污水，有望廣泛的套用於偏遠地區的分散式污水處理系統。
