新材料：高異方性熱伝導性グラフェン複合材料による光電熱協同制御氷の実現

中国科学院合肥物質科学研究院固体物理研究所の王振洋チームは「3 Dプリント構造設計-レーザー界面工学-スケール横断性能制御」設計構想に基づき、高い異方性熱伝導率、高い光熱/電気熱変換効率と良好な疎水性と機械性能を兼ね備えたグラフェン/ポリマー複合材料の二層構造を開発した。

グラフェンシートの異方性熱伝導性能を利用するために、2ノズル溶融堆積成形3 D印刷技術を用いて、グラフェンシ配向配列を実現し、グラフェン強化熱可塑性ポリウレタンと純熱可塑性ポリウレタンからなる2層構造を設計し、グラフェンシ強化熱可塑性ポリウレタン2層構造の配向熱伝導と蓄熱効果を評価した。研究により、より大きいサイズのグラフェンは、形成された連続熱伝導経路によって面内熱伝導性能を増強することが分かった。上層グラフェン強化熱可塑性ポリウレタン複合材料IP方向の熱伝導率は4.54W/(m·K)，TP方向の熱伝導率の約6倍であると同時に、純熱可塑性ポリウレタン下地層はこの性能をさらに向上させ、グラフェン強化熱可塑性ポリウレタン二層構造に約8の異方性熱伝導率を示した。

複合材料の異方性熱伝導性を向上させるために、レーザー誘導処理を用いて3 D印刷されたグラフェン強化熱可塑性ポリウレタン二層構造を研究した。研究により、レーザー処理は複合物中のグラフェンシートの配向と二層構造の完全性を保留し、グラフェンシネットワークを暴露し再構成し、熱可塑性ポリウレタン炭化層を強化し、その欠陥状態を制御し、異方性導電性と異方性熱伝導比を向上させた。レーザー処理によりポリマーマトリックスを分解した後、複合材料表面に形成されたマイクロスケール構造と粗面表面は材料表面の疎水性を高め、入射光を複数回反射させて光路を延長し、光熱変換効率を強化した。

この仕事は有限要素分析と分子動力学シミュレーションを結合し、溶融堆積成形印刷モデルとレーザー処理によるポリマー分解過程を研究し、最適化し、航空機の翼表面と建築物外壁アンテナの光伏板の除氷防氷などの応用に新しい解決策を提供することが期待されている。

関連研究成果は「炭素」（Carbon）と「化学工学雑誌」（Chemical Engineering）に発表されたJournal)に掲載されている。研究活動は国家重点研究開発計画と国家自然科学基金の支持を得た。