2026年02月24日，天津城建大學(xué)賈國(guó)治、南開(kāi)大學(xué)劉玉萍等在《Carbon》期刊發(fā)表題為“In-Situ Joule Heating Fabricating SiC/Graphene Composites: Interfacial Coupling and Synergistic Heat Transfer Boosting Superior Thermal Management”的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了一種基于焦耳熱瞬態(tài)合成技術(shù)制備SiC/石墨烯（GNS）復(fù)合材料的新方法，以工業(yè)硅粉和石墨為原料，在10秒內(nèi)成功合成高結(jié)晶度3C-SiC/GNS復(fù)合材料。通過(guò)KH550表面功能化改性，在填料與環(huán)氧樹(shù)脂基體間構(gòu)建了共價(jià)鍵連接的低熱阻界面，顯著改善了界面相容性并降低了聲子散射。所制備的SiC/GNS@KH550/EP復(fù)合材料在30wt%填料含量下熱導(dǎo)率達(dá)2.85 W·m?1·K?1，為純環(huán)氧樹(shù)脂的16倍；同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能（10wt%樣品平衡溫度達(dá)107.4°C）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究為工業(yè)廢硅粉的高值化利用提供了新途徑，所開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料在高功率電子封裝、光熱轉(zhuǎn)換器件等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

【研究背景】

1. 高功率電子器件熱管理需求迫切：隨著電子設(shè)備向高集成度、高功率密度發(fā)展，熱積累問(wèn)題成為制約其性能與壽命的關(guān)鍵瓶頸。

2.環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能嚴(yán)重不足：環(huán)氧樹(shù)脂因其優(yōu)良的加工性和絕緣性被廣泛用于封裝，但其本征熱導(dǎo)率僅約0.17 W·m?1·K?1，難以滿足高效散熱需求。

3.單一填料構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)存在局限：零維填料（如納米SiC）分散性好但難以形成連續(xù)導(dǎo)熱路徑；二維填料（如石墨烯）導(dǎo)熱率高但易團(tuán)聚且界面相容性差。

4.SiC合成方法亟待綠色高效改進(jìn)：傳統(tǒng)SiC制備方法能耗高、周期長(zhǎng)，且與有機(jī)基體相容性差，限制了其在聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用。

【研究方法】

1. 焦耳熱輔助合成SiC/GNS復(fù)合材料

將工業(yè)硅粉與石墨按1:1混合球磨后，置于碳紙與石墨氈之間，施加230 A脈沖電流進(jìn)行焦耳加熱10秒，通過(guò)瞬態(tài)高溫（>1500°C）誘導(dǎo)固相反應(yīng)，快速合成高結(jié)晶度3C-SiC/GNS復(fù)合材料。

圖1：焦耳熱輔助合成SiC/GNS示意圖

2.KH550表面功能化改性

首先用硝酸對(duì)SiC/GNS進(jìn)行羥基化處理，然后將KH550水解后與羥基化SiC/GNS在80°C下反應(yīng)6小時(shí)，通過(guò)脫水縮合形成穩(wěn)定的Si-O-Si共價(jià)鍵，在填料表面引入氨基官能團(tuán)。

3.環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備

將改性后的SiC/GNS@KH550分散于無(wú)水乙醇中，與環(huán)氧樹(shù)脂混合攪拌，加入固化劑后真空脫泡，倒入PTFE模具中室溫固化36小時(shí)，得到不同填料含量的復(fù)合材料。

4.材料表征與性能測(cè)試

采用XRD、Raman、FTIR、XPS分析材料結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)狀態(tài)；SEM/TEM觀察微觀形貌；穩(wěn)態(tài)熱流法測(cè)試熱導(dǎo)率；808 nm激光照射結(jié)合紅外熱成像評(píng)估光熱轉(zhuǎn)換性能；TGA分析熱穩(wěn)定性；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能。

【研究結(jié)果】

1. SiC/GNS復(fù)合材料成功合成

XRD和Raman分析證實(shí)產(chǎn)物為高結(jié)晶度3C-SiC與少層石墨烯（ID/IG=0.32，層數(shù)約5層），XPS顯示C-Si和Si-C鍵為主要成鍵方式，TEM觀察到石墨烯包裹SiC顆粒的核殼結(jié)構(gòu)

圖2：SiC/GNS的結(jié)構(gòu)表征

2. KH550成功接枝于SiC/GNS表面

FTIR和XPS分析顯示，改性后樣品出現(xiàn)-CH?/-CH?特征峰及N1s信號(hào)，Si2p譜中出現(xiàn)Si-O-Si鍵（102.4 eV），證明KH550通過(guò)共價(jià)鍵成功接枝于SiC/GNS表面。

圖3：KH550表面功能化改性及表征

3.復(fù)合材料導(dǎo)熱性能顯著提升

30wt% SiC/GNS@KH550/EP復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)2.85 W·m?1·K?1，為純環(huán)氧樹(shù)脂（0.17 W·m?1·K?1）的16倍；紅外熱成像顯示其表面升溫速率和平衡溫度均優(yōu)于純EP。

圖4：SiC/GNS@KH550/EP復(fù)合材料的散熱性能與熱穩(wěn)定性

4.光熱轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異且穩(wěn)定

10wt%復(fù)合材料在808 nm激光照射下平衡溫度達(dá)107.4°C，光熱轉(zhuǎn)換效率與輸入功率呈線性相關(guān)（R2=0.9988），經(jīng)8次循環(huán)后性能無(wú)明顯衰減。

圖5：SiC/GNS@KH550/EP復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)換性能

【展望】

1.焦耳熱合成技術(shù)具備產(chǎn)業(yè)化潛力

該方法可在10秒內(nèi)完成SiC/GNS復(fù)合材料的合成，能耗低、效率高，適用于工業(yè)廢硅粉的高值化利用。

2.界面工程是實(shí)現(xiàn)性能提升的關(guān)鍵

通過(guò)KH550共價(jià)修飾構(gòu)建低熱阻界面，顯著降低聲子散射，為高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供新思路。

3.該策略可拓展至多功能復(fù)合材料體系

未來(lái)可探索SiC與其他二維材料（如BN、CNT）復(fù)合，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、電絕緣、電磁屏蔽等多功能集成。

4.在高端熱管理領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景

該復(fù)合材料在高功率電子封裝、光熱轉(zhuǎn)換器件、航空航天熱控系統(tǒng)等領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用潛力。

來(lái)源：焦耳熱超快合成