ansys石墨材料的案例
綜述熱管理材料—石墨烯
石墨烯優異的熱性能及其柔韌性激發了對其衍生物的廣泛研究，包括氧化石墨烯、石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯泡沫、石墨烯層壓板、石墨烯熱界面材料(TIMs)等，用于熱管理應用。以石墨烯及其衍生物作為填料的各種復合材料已經被開發出來。液相剝離(LPE)石墨烯和少層石墨烯薄片的混合物在導熱膠和導熱相變材料中作為填料表現優異。石墨烯由于其與基體材料良好的熱耦合性和較低的成本，是熱復合材料中比碳納米管(CNTs)更好的填料。由懸浮液中剝離的石墨烯薄片制備的米級石墨烯薄膜具有優異的熱性能，并顯示出作為導熱材料的巨大潛力。
另一種很有希望用于熱管理的二維材料是氮化硼(BN)，它的晶格與石墨烯相似，但硼和氮化硼原子交替排列在六邊形結構(hBN)中。理論上，hBN具有高達1700-2000 W/(mK)的高導熱系數，因此它被用于開發TIMs和散熱器。更重要的是，hBN是一種電絕緣材料，這使得它成為石墨烯及其衍生物在不允許導電的情況下的重要戰略和非常好的補充。
在本文中，我們將回顧使用石墨烯基材料以及其他二維材料(如hBN)進行熱管理的最新進展。首先簡要介紹傳熱的基本機理。之后，將詳細回顧和總結用于熱管理應用的各種石墨烯基材料，包括其衍生物和相關的二維材料。對熱管理材料性能的理論分析進行比較和總結，以了解二維材料系統中的聲子和熱輸運。此外，還將介紹用于這些材料的不同熱表征方法，并對其優點和局限性以及準確性進行總結和評論。在本綜述的最后，將討論和評論使用石墨烯和其他二維材料進行熱管理的挑戰和機遇。
01
熱傳輸基本理論
熱傳導是通過物質中微觀粒子的碰撞和熱載體的運動來實現的。
展開 炭石墨材料浸漬工藝
在炭素材料中，炭石墨材料的制備一般要經過經配料、混捏、壓型、焙燒和浸漬和石墨化等工藝過程。浸漬工藝作為制作炭石墨材料不可或缺的一部分，通常是在原料經過焙燒過后才會進行。在混捏過程中，原料里會加入大量粘接劑（通常是瀝青或者煤瀝青），經過長時間焙燒過程后，粘接劑會經過高溫分解成為大量氣體而排出，這就造成制品在焙燒過后會產生大量氣孔，會造成以下結果：
1.造成開口氣孔率增大和體積密度降低
2.機械性能降低，可加工性降低
3.導電性減弱，電阻率增大
4.密封性能降低，
5.耐腐蝕性和抗氧化能力不足
而浸漬的目的就是在一定的溫度和壓力下，迫使液態浸漬劑浸入多孔制品的氣孔中，用來降低制品氣孔率、提高其體積密度和機械強度、改善導電和導熱性能等物理和化學性能。
浸漬工藝按浸漬液來分，可分為金屬浸漬和非金屬浸漬，在這里主要介紹非金屬浸漬中的煤瀝青浸漬。浸漬所需主要設備：預熱罐、浸漬罐、浸漬液加熱罐。
浸漬工藝流程：
制品在浸漬前，需要用預熱罐對制品進行預熱，根據制品的規模大小，預熱時間一般為2.0—3.5h，溫度通常比浸漬罐高20—50℃，預熱罐的主要作用是排除部分制品內所含的氣體和水分，同時使制品和浸漬液的溫度大致相當。在對制品預熱過程前，還要對浸漬液進行加熱處理，使之成為可以浸漬的液體（浸漬罐和浸漬液罐通過底部閥門連通）。在制品預熱好后，需立即將制品移至浸漬罐中，待裝好制品后，密封好浸漬罐，開始抽真空，真空度不低于0.08MPa，時間保持40-60h。然后打開閥門，通過壓力差使浸漬液自動流入浸漬罐中，待全部流入后，關閉閥門，對浸漬罐開始加壓，壓強維持在0.7-1.2MPa，時間保持2-4h。加壓結束后，再次打開閥門，利用壓強差使浸漬液自動回流入浸漬液罐，待回流完后關閉好閥門。
展開 應用石墨烯材料的大功率LED散熱仿真
在納米厚度級別下，不同厚度石墨烯的散熱效果相差不大，因此，在考慮經濟的前提下，只需在散熱器基底鍍上一層很薄的石墨烯即可改善散熱效果,這將為LED散熱在石墨烯材料的實際應用中，要想充分發揮石墨烯的高熱導率對LED結溫的改善作用必須進一步研究石墨烯材料與金屬材料的結合形式。
福特利用石墨烯材料降低發動機噪音
石墨烯（Graphene）其實就是單層石墨，強度大（比鋼強200倍）且導電性優。據外媒報道，福特宣布將在福特F－150皮卡車和福特野馬（Ford Mustang）等乘用車的引擎蓋下使用石墨烯。
與Eagle Industries和XG Sciences合作，福特提出一種方法，將在燃油導軌蓋、泵蓋和前發動機蓋等十多個發動機艙部件中采用石墨烯材料。石墨烯非常薄，但是非常柔韌，且具有非常強的隔音性能，其將與泡沫材料混合，形成在強度和降噪方面都非常優異的新部件。
測試顯示，與沒有任何石墨烯含量的相同泡沫材料相比，福特的含石墨烯泡沫材料可將噪音降低17％，機械性能提高20％，耐熱性能提高30％，而且最重要的是，含石墨烯的材料并沒有增加部件重量。
雖然部件添加蓋子通常會增加重量，從而損害汽車的燃油經濟性，但是石墨烯具輕質特性，實際上，其會降低整體部件的重量。福特可持續發展和新興材料高級技術負責人Debbie Mielewski表示：“我們取得的突破不在于材料本身，而在于我們如何使用該材料。我們使用非常小的量，不到0．5％的石墨烯就可顯著提升部件耐用性、降噪性并且減輕重量。”
福特表示，今年年底，該新石墨烯材料將用于福特F－150和福特野馬車型發動機艙部件的生產，之后再將其擴展用于福特乘用車陣容中的其他車型。
來源：OFweek中國高科技行業門戶
展開 
西安交大：新型石墨烯夾層材料
針對這一問題，近日，化工學院李明濤課題組設計開發了一種具有二維結構g-C3N4/石墨烯保護層的正極材料，獲得了長循環壽命的鋰硫電池。論文《一種二維層狀g-C3N4/石墨烯復合型正極夾層增強鋰硫電池循環性能研究》發表在國際著名期刊《可持續能源材料化學》（ChemSusChem）并入選為封面文章。西安交大屈龍講師為第一作者，李明濤副教授為第一通訊作者，美國橡樹嶺國家實驗室戴勝教授為共同通訊作者。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201802449
該工作創造性地設計了一種二維插層結構的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負極之間構建了多層“防鯊網”，不僅能通過物理和化學雙重作用阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快Li+的擴散，從而大大提升電池的循環壽命。該論文對提升鋰硫電池電化學性能及進一步實現產業化具有理論指導意義。
李明濤副教授課題組長期從事新一代二次電池正極材料及鋰離子電池固態電解質等材料的開發與應用，近期在著名國際期刊上發表SCI論文多篇。
來源：西安交大
展開 應對未來芯片危機：歐洲致力于石墨烯等二維材料研發
報道認為，更重要的是引領下一代集成電路技術，其中，石墨烯等具有驚人特性的材料已經開始從實驗室躍入日常生活，并將在其中發揮重要作用。歐盟已經開始致力于這項新技術的研發，但傳統的硅半導體在中期內仍將是必不可少的。
“現在要想替代硅非常困難”，西班牙阿拉貢納米科學與材料研究所的研究員勞爾·阿雷納爾坦言，“硅的性能良好。它是一種在純度方面可以控制得很好的材料，而且成本非常低。一旦將硅材料的這些優點放在比較的天平上，硅就很難被擊敗。然而，幾十年來，人們一直在尋找硅的替代品，近年來更是如此，因為硅材料正在達到減小晶體管尺寸的物理極限。”
主要的替代方案之一是所謂的二維材料——即那些具有長度和寬度、但厚度僅一兩個原子的材料，因此它們實際上幾乎沒有厚度。由碳原子的6邊形晶格組成的石墨烯材料是最受歡迎的。由這種材料制成的芯片有朝一日可能會取代硅芯片，但該設想在未來幾年內還難以實現，這方面仍有待進一步研究。最重要的是，有必要確保這些未來材料能夠以可接受的成本進行可靠的生產。
“歐洲在石墨烯研究和技術開發方面處于有利地位，而且正在采取正確的研發步驟，”西班牙石墨烯公司的科學總監阿馬婭·蘇魯圖薩說。西班牙石墨烯公司是一家專門從事石墨烯材料研發的企業。事實上，歐盟在2013年投資了10億歐元，以推動之后10年內的石墨烯技術發展。最近一年來，石墨烯材料的3條試驗生產線已經投入運行。蘇魯圖薩還稱，“我們想表明石墨烯材料具有競爭優勢，它可以在芯片內實現我們想要的目標，我們正走在正確的軌道上。”
情況并非總是如此，由于在歐洲生產芯片的成本更高，所有生產都被外包給了亞洲。
展開 空客公司利用石墨烯復合材料制備機翼
“我們將樹脂提供給Grupo Antolin-Ingenieria，后者將石墨烯直接添加到樹脂中，并加以研磨，以產生小的石墨烯顆粒，這是一個很重要的步驟，可以很好的將石墨烯分散到樹脂里，避免引入不必要的雜質，如溶劑。添加溶劑會改變樹脂的粘度，而確保準確的粘度是非常重要的，這是樹脂能成功轉移成型的關鍵”Aernnova的研究人員AnaReguero說。
將添加石墨烯的樹脂成型后制成組件后，該團隊發現添加了石墨烯的樹脂的組件機械性能和熱性能增加，斷裂速度降低。通過用石墨烯改性樹脂的性能，可以使機翼前緣尾部邊緣更薄，減輕其重量同時保持其安全性。這將顯著節省燃料，降低飛行成本，增加飛機的使用壽命，減少尾氣排放。
“我們的小規模測試顯示了性能的提高。到2018年底，我們將測試三分之一的比例模型，”Reguero說。
“這項工作展示了石墨烯在改善航空航天領域所用樹脂基質方面的巨大潛力。它建立了石墨烯生產商、樹脂和復合材料制造商以及最終用戶密切合作開發新型復合產品的價值鏈。 “來自希臘FORTH的復合材料工作包負責人Costas Galiotis說。
Graphene旗艦公司科技官員Andrea·C·Ferrari教授及其管理小組主席補充說：“這是石墨烯旗艦公司合作的一個很好的例子。我們的三個工業合作伙伴聚集在一起解決一個關鍵問題并發現石墨烯提供了超越現有技術水平的解決方案。石墨烯技術的開發和系統集成遵循我們的創新和技術計劃，其中復合技術發揮著重要作用。
展開 “夢幻材料”石墨炔的發現及最新研究進展
Nature China報道：“中國科學院李玉良等首次合成二維結構石墨炔，石墨炔具有和已知碳同素異形體不同的結構和性質，石墨炔將可能成為電子器件領域最重要的材料。”
石墨炔
著名雜志NanoTech 2012年發布年度報告回顧了發現的幾類重要材料，指出石墨炔的發現提升了對碳材料研究的強烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個框架計劃，美、英等國也將其列入政府計劃，并將石墨炔列入未來最具潛力和商業價值的材料。
世界兩大著名的商業信息公司Research and Markets公司和日商環球訊息有限公司評述了2019年前全球納米技術和材料，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。該研究成果還被科技部作為2010年重大基礎研究進展列入2010年中國科學技術發展報告中。2015年被評為中國科學院發布的“十二五”25項重大科技成果之一。
二、石墨炔的分子結構
石墨炔sp與sp2雜化態的成鍵方式決定了它的獨特分子構型，石墨炔GDY是目前為止唯一在實驗室制備得到的。
單炔鍵、雙炔鍵等石墨炔結構
從結構上，石墨炔可以被看作是石墨烯中三分之一的C―C中插入兩個C≡C（二炔或乙炔）鍵，這使得這種石墨炔中不僅具備苯環，而且還有由苯環、C≡C鍵構成的具有18個碳原子的大三角形環。額外的炔鍵單元使這種石墨炔的孔徑增加到大約0.25nm。
各種石墨炔分子結構
sp和sp2雜化的炔鍵和苯環，構成了單原子層二維平面構型的石墨炔分子(如圖a)；在無限的平面擴展延伸中，與石墨烯相似，為保持構型的穩定，石墨炔的單層二維平面構型會形成一定的褶皺(如圖b)；二維平面石墨炔分子通過范德華力和π－π相互作用堆疊，形成層狀結構；18個C原子的大三角形環在層狀結構中構成三維孔道結構。
展開 《AFM》：超強性能的石墨烯包覆氧化亞硅負極材料！
全電池在1 C下的循環性能和庫倫效率；c) D-SiO@G//LFP全電池成功點亮LED矩陣
總之，作者以煤炭腐殖酸為碳源，開發了一種簡單的原位合成高性能鋰離子電池氧化亞硅和石墨烯負極材料方法，作者用各種表征方法證實了同時發生的腐殖酸向石墨烯的轉化和氧化亞硅的歧化反應，其中包覆良好的石墨烯層阻止了電解液與氧化亞硅顆粒之間的反應，同時顯著提高了氧化亞硅負極的導電性。
最輕和最強的材料：石墨烯氣凝膠
3D打印行業的情況就有此趨勢，隨著近年行業的成熟以及實際應用的不斷擴張，各類型的3D打印設備及材料如今層出不窮，例如近期比較熱的石墨烯氣凝膠3D打印機。
石墨烯是地球上強度最高的材料之一，并且重量極輕，還具有出色的導電性能，目前主要用于電池和航空航天工業。然而，2D狀態的石墨烯是單層的碳原子，由于石墨烯的特性，如果僅是簡單的疊加，其出色的性能只能在約一張紙的厚度組成上體現，但復雜三維結構經常是現代工業需要的。
研究人員曾使用激光開發出3D打印的石墨烯泡沫，但是在實際測試中，該方法并不完美。2016年，美國堪薩斯州立大學和布法羅大學創造性地開發出新的石墨烯組件并將其凍結，這種材料被稱為石墨烯氣凝膠，其多孔結構允許石墨烯擁有驚人力學性能的同時，保持材料超輕的重量，這個成果看似簡單，其實過程艱難，是一項了不起的成就。
堪薩斯州立大學和布法羅大學的石墨烯3D打印方案
而下一步，科學家們需要不斷完善石墨烯氣凝膠的3D打印技術，該團隊使用類似FDM 3D打印機的原理進行構建，被吉尼斯世界紀錄正式認可為“2018年密度最小的3D打印結構”，打印件強度遠超鋼鐵，并具有超強的導電性、柔韌性。
最新的發展由弗吉尼亞理工大學和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室完成，他們將石墨烯氣凝膠與光敏樹脂融合，應用投影微型光固化技術（PUSL）進行固化成型，并在爐子中干燥結構去除其他成分組成，能夠達到低至10μm的石墨烯氣凝膠3D打印機層，這是迄今為止最接近2D石墨烯碳原子的3D打印厚度。
這項開創性的石墨烯氣凝膠3D打印技術使研究人員能夠打印出非常復雜的結構和形狀，使其保持超輕量和強度，還允許創建不同的格子，未來可能徹底改變變汽車和航空航天工業零件的生產。
展開 手機的石墨烯復合材料降溫貼真那么神奇？
市面上流傳著這樣一個東西——石墨烯復合材料手機降溫貼。傳聞它對手機的降溫效果可達10℃-15℃，石墨烯降復合材料溫貼真有這么神奇嗎？它的工作原理到底是什么？
對此，“周到實驗室”進行了對比實驗：
實驗中，測試者拿來兩部相同的iPhone手機，起始溫度基本一致（27.6℃），然后播放同一部高清視頻。
15分鐘后，沒有貼石墨烯降復合材料溫貼的手機升到了40.3℃，而貼有石墨烯降溫貼的手機升到了36℃。
也就是說，降溫效果的確存在，雖然沒有傳聞中那么夸張，但的確達到了一定的降溫效果，在炎炎夏日，確實對手機有一定的保護作用。
這是神馬原理呢？周到實驗室表示，石墨烯是已知最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。用石墨烯制成手機散熱貼，由于其水平導熱率大，可以使手機的局部熱源快速地分散到整體石墨烯復合材料散熱貼上，以達到其為手機降溫的目的。
高透明水晶樹脂https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=szjgb
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一種用于電池熱管理的石墨基復合相變材料
相變材料作為被動冷卻方法之一，可以作為熱管理介質。當固液轉變發生時，PCM可以吸收相當大的潛熱，同時保持相變區溫度穩定，為電池提供舒適均勻的溫度條件。然而，大多數PCM的傳熱性能較差，并且從固體到液體的相變不可避免地會導致液體泄漏，這兩個問題是PCM大規模實際應用的瓶頸。
為解決這兩個問題，曾嘗試添加填料和封裝材料。在這些添加劑中，膨脹石墨(EG)是最有前途的。通過化學插層和熱剝離制備的EG具有多孔和蠕蟲狀的形態，在導熱路徑構建和防漏封裝方面效果優異。但是EG/PCM材料的機械強度脆弱，此外EG一旦與鋰離子電池的正負極接觸，可能會使電池處于短路的危險之中。因此，為了在電池熱管理中得到更好、更安全的應用，EG/PCM的機械性能和介電性能有待進一步提高。
02成果掠影
近期，華南理工大學的張正國教授團隊針對用于電動汽車熱管理的膨脹石墨(EG)基復合相變材料(PCMs)的高導電性和較差的適應性問題取得新的進展。該團隊合成了一種具有高電阻率和柔性的新型復合相變材料(CPCM)，用于廣泛的電池熱管理。天然橡膠在膨脹石墨和OP44E PCM之間形成了柔性絕緣網絡。CPCM具有較高的儲能密度(156.5 J/g)、較高的電阻率(2700Ω?cm)和優異的導熱系數(3.4 W/mK)。此外，CPCM的柔韌性和形狀適應性可以在室溫下實現，特別是在發生相變時得到提升。由此產生的CPCM通過在3℃高倍率放電循環下將電池組的工作溫度保持在45℃以內，溫差保持在2℃以內，顯示出高效率和熱管理的可靠性。該工作為高效熱管理相關應用提供了一個有希望的選擇。
展開 ANSYS石墨烯建模教程
模型預覽
ANSYS石墨烯三維幾何模型及網格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進行建模，并將模型導入ANSYS內，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內容利用并集命令分別進行合并。
2.將球體圖層內容在原位置復制一份。
3.運用差集命令將紅色化學鍵與一份藍色原子進行差集操作。
4.將所有內容導出為iges格式。
5.將iges文件導入到ANSYS Workbench軟件內完成操作。
CAD石墨烯生成器
https://www.yqgqt.org.cn/post/1942609
展開 用于高性能電磁屏蔽和熱管理的石墨烯/MXene復合材料
嚴重的電磁干擾(EMI)不僅會干擾電子設備的正常工作，而且會對人體健康和其他生物系統產生不利影響因此，人們致力于通過制造各種具有獨特結構特性的電磁干擾屏蔽材料來緩解電磁輻射問題。
在報道的電磁干擾屏蔽材料中，金屬基箔/薄膜(如銅箔，鋁箔和MXene薄膜)具有優異的導電性，但通常存在一些缺點(如耐腐蝕性差和質量密度高)，這在一定程度上阻礙了它們的實際應用。另一方面，具有輕量化和多孔結構的雜化二維導電材料(如還原氧化石墨烯(rGO)/ MXene,Ti3C2Tx/rGO和Ti3C2Tx/碳納米片)已被認為是EMI屏蔽應用的有希望的候選者。
然而，由于含有豐富的含氧官能團，通常會導致復合膜的導電性較差，屏蔽電磁干擾的效果(SE)較低。此外，將低維導電填料(例如，1D碳納米管， 2D氧化石墨烯， 2D石墨烯納米片，和2D MXene)摻入電絕緣聚合物中構建的導電聚合物復合材料(CPCs)被認為是替代EMI屏蔽候選材料，但這些CPCs的EMI SE值仍然令人不滿意。因此，開發具有獨特結構特性和提高電磁干擾屏蔽效果的新型電磁干擾屏蔽材料是迫切需要的。
與一維和二維導電填料相比，具有相互連接的多孔網絡的三維石墨烯泡沫/薄膜由于其輕量化和優異的導電性和導熱性等優點，已被用于EMI屏蔽和熱管理應用。盡管取得了相關進展，但大多數的柔性EMI屏蔽泡沫/薄膜仍然遇到一些缺點，例如導電性差，熱穩定性不理想，SE不足(通常<60 dB)，以及較小厚度下的特定SE (SE/密度/厚度，SSE/t)，這限制了它們的進一步應用。在這種情況下，設計和開發具有卓越EMI屏蔽和焦耳加熱性能的柔性材料，仍然是一個巨大的挑戰。
展開 研究 \\ 一種具有優異的導熱性能的石墨烯基熱界面材料
目前，柔性熱界面材料(TIMs)作為TIM被用在芯片散熱的應用中。在實際應用中，熱導率和結構穩定性是TIMs的兩個重要參數。優異的結構穩定性是保證高導熱TIMs在復雜體系中長期運行的前提。傳統的TIMs大多采用硅酮基體和導熱填料的復合材料，但這種基體存在固有的工作溫度范圍窄(<150 ℃)、機械回彈性差等問題限制了材料應用。利用純碳基TIMs是一種新興的方法，可以提高導熱性，并在大范圍的工作溫度下實現結構穩定性。然而，絕大多數碳基TIMs在變形時的可恢復性較差，甚至不具有變形性，這極大地限制了其實際應用。
02
成果掠影
近期，浙江大學高超教授、徐震教授和劉英軍教授以及龐凱博士后共同在高導熱TIM材料的制備取得新的成果。該團隊采用水塑性泡沫(HPF)和界面強化方法制備了碳基石墨烯泡沫材料(GFR)作為柔性TIM。氧化石墨烯(GO)的浸漬增強了GFR內部的界面鍵合，使其具有優異的結構完整性。它可以在60%的壓縮應變下保持10,000次循環后的機械穩定性，并能夠維持高達500°C的高溫，這在以前的報道中從未實現過。該團隊證明了GFR-TIM不僅具有很高的結構穩定性，而且具有比大多數商用TIMs (5-10 W/mK)更高的導熱系數(~17.42 W/mK)。GFR-TIM可以作為CPU的高效散熱組件，與商用TIM相比，其散熱效率更高。該項工作提供了一種先進的石墨烯基TIM，具有優異的環境適應性和抗疲勞性能，擴大了其在極端環境中的應用，如高超聲速飛行器、高通量衛星和大功率雷達系統。
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