当前，电子设备不断向微型化、集成化方向发展，使得电子器件的热流密度不断增加，由此产生的巨大热量会对设备的性能造成损害。高效散热已成为电子设备发展过程中迫切需要解决的关键问题。石墨烯膜秉承了二维石墨烯片基元的优异导热性，是电子器件热管理领域的一种新兴材料。相比于几十微米厚的高导热石墨烯薄膜，数百微米的高质量石墨烯厚膜凭借其卓越的高热通量特性，更有望成为应对当前高热流密度散热问题的理想材料。然而，由传统方法制备的石墨烯厚膜因片层排列紊乱和界面粘附性差，通常导热系数较低且在极端条件下易发生结构破坏。

　　通过可靠的无缝键合组装策略，有效改善了石墨烯厚膜的界面结构，获得了结构超稳定且双向高导热的石墨烯厚膜。当厚度为250 μm时，其面内和面外热导率分别高达925.75 W/(mK)和7.03 W/(mK)。此外，在77 K至573 K的数百次高/低温冲击后，该石墨烯厚膜的结构和导热性能也表现出显著的稳定性，确保了其在极端热管理应用中的环境适应性。

　　相比于传统聚合物胶粘接制备的石墨烯基厚膜（GTF-TAA），该工作采用无缝键合组装策略（SBA），通过设计金属纳米层的成分和石墨烯/金属界面的微观结构，有效消除了GTF的内部孔隙，构建了无缝牢固的界面，实现了GTF的双向高导热性和在极端条件下的结构超稳定性（图1a-d）。此外，由于SBA策略的高效和可扩展性，GTF-SBA的厚度、尺寸和形状可容易调控，为不规则热管理组件的要求提供了新的技术解决方案（图1e-g）。

　　图1（a）GTF-TAA和GTF-SBA的制备工艺示意图。（b）具有不同界面孔隙结构的GTF-TAA和GTF-SBA的界面示意图。（c）GTF-TAA和GTF-SBA的界面SEM图像。（d）GTF-TAA和GTF-SBA的界面孔隙率。（e）大尺寸GTF-SBA块材的光学图像。（f）形状和厚度可控的GTF-SBA的光学图像。（g）GTF-SBA和GTF-TAA的界面密实度和整体导热性能。GTF的厚度约为100微米。

　　为了实现GTF-SBA内部牢固的界面结合，考虑到Cu在石墨烯膜表面的浸润性差且熔点较高，该工作对金属纳米层进行了三元模块化设计，首先注入微量Ti原子到石墨烯膜表面，形成TiC过渡层，从而提高界面结合强度；接着沉积Cu导热层以保障材料优异的热性能；最后质软且熔点低的Ag作为粘接层来实现多张金属化石墨烯膜的良好融合。在GTF-SBA中，Ag、Cu、Ti、C、O元素在纵向上依次存在，呈现紧密堆叠的层状无缝结构（图2a-b）。此外，通过搭接剪切测试和剥离测试进一步证明了Ti原子辅助键合的界面增强作用（图2c-f）。同时，理论计算也表明Ti掺杂可以使石墨烯/金属界面发生更强烈的电荷转移，从而提高界面粘附功（图2g-h）。这种可靠的界面结合为在极端环境下应用高导热GTF奠定了结构基础。

　　图2（a）GF和MGF的表面粗糙度。（b）GTF-SBA的断面SEM图像及相应的C、O、Ag、Cu、Ti元素映射图。（c）搭接剪切测试的示意图。（d）不含Ti和含Ti的MGF的剪切应力-应变曲线及拉伸应力-应变曲线。插图是剪切破坏后MGF的光学图像。（e）MGF的剥离测试示意图。（f）用3M透明胶带剥离后的MGF的光学图像和SEM图像。（g）石墨烯/石墨烯、石墨烯/Cu和石墨烯/TiCu界面的差分电荷密度分布的DFT计算。（h）三种界面结构的黏附功。电子云表示电荷的积累，蓝色表示消耗。

　　得益于可靠的无缝键合界面，GTF-SBA在室温下具有优异的双向导热性能。当厚度为250 μm时，其面内和面外热导率高达925.75 W/(mK)和7.03 W/(mK)，分别约为GTF-TAA的2倍和12.5倍（图3a-c）。此外，在77 K至573 K的数百次高/低温冲击后，GTF-TAA的结构发生破坏且导热性能大幅衰减，但GTF-SBA的结构和导热性能仍表现出显著的稳定性，确保了其在极端热管理应用中的环境适应性（图3d-i）。

　　图3组装层数不同的GTF-TAA和GTF-SBA的（a）面内热导率，（b）面外热导率，（c）热通量。（d）GTF-TAA和GTF-SBA在液氮冲击（77 K）不同次数后面内热导率的变化。（e）200次液氮冲击前后GTF-TAA和GTF-SBA的截面形貌。（f）Cu、热解石墨和GTF-SBA（50层）在低温区的面内热导率。（g）GTF-TAA和GTF-SBA的热重曲线，插图显示了不同温度下的表面形貌。（h）200次热冲击后GTF-TAA和GTF-SBA的截面形貌。（i）不同热冲击次数后GTF-TAA和GTF-SBA的面内热导率变化。

　　TEM图像进一步证明了石墨烯/金属界面的无缝键合结构（图3a-h）。由于原子相互扩散以及热膨胀系数不匹配，石墨烯/金属界面处存在一定的局部晶格应变（图3i-k）。但相比于聚合物链的弱取向和随机纠缠所导致的严重声子散射，石墨烯/金属界面的机械联锁效应和TiC过渡层的有效共价结合，提供了更多的热传导路径，从而改善了厚膜的结构稳定性和双向导热性。

　　图4（a）GTF-SBA原子无缝连接界面示意图。（b-c）GTF-SBA中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的TEM图像。（d）GTF-SBA中三元金属层的厚度。（e）GTF-SBA中无缝键合界面的元素分布。（f-h）GTF-SBA中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的AC-STEM图像以及GF的高结晶结构，插图是相应的选区电子衍射图样。白色虚线圈出了无缝键合界面。（i）磁控溅射过程中高能粒子破坏基材表层结构的说明。（j-k）通过几何相位分析得到图4f-g的白框中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的局部晶格应变分布。

　　与其他高导热材料相比，GTF-SBA热通量高，传热能力优异，此外，其面内热导率随厚度的衰减缓慢，且具有较高的面外导热系数，是一种轻质且双向高导热的材料，有望实现电子器件的高效散热，并为高性能石墨烯基材料在极端热管理领域指明了未来发展方向（图5a-g）。

　　图5约1000微米厚的GTF-TAA和GTF-SBA在热源加热和散热时的（a）红外图像，（b）温度分布曲线，和（c）热输运模型。（d-e）GTF-SBA、GTF-TAA和报道的GTF的面内和面外导热系数的比较。（f）GTF与其他各向异性导热材料的面外热导率（x轴）、各向异性系数（y轴）、面内热导率（对角虚线）的比较。（g）GTF-SBA、GTF-TAA、聚合物、金属和陶瓷基热管理材料的比热导率的比较。