中國(guó)粉體網(wǎng)訊 由于智能手機(jī)局部過(guò)熱，甚至?xí)䦟?dǎo)致手機(jī)爆炸，如今很多手機(jī)里加了石墨導(dǎo)熱膜，有效解決了手機(jī)的散熱問(wèn)題。不止手機(jī)，很多電子器件都需要性能好的散熱材料，石墨烯由于其特殊的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)于其他已知材料的導(dǎo)熱性，而且石墨烯同時(shí)具備高柔性，將來(lái)在很多高科技產(chǎn)品中會(huì)有非常重要的應(yīng)用。想要獲取更多關(guān)于碳基導(dǎo)熱材料的前沿知識(shí)？蘇州“2018低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”上，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員崔彥斌將會(huì)帶您深入了解《高效碳基導(dǎo)熱膜》。
崔彥斌：研究員，博士生導(dǎo)師。2008年獲中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，之后在日本(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，Nagoya University)、美國(guó)(University of Minnesota Duluth，F(xiàn)lorida State University)、加拿大(York University)等國(guó)家從事博士后研究。2015年入選中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所“百人計(jì)劃”，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，主要研究方向包括：煤的熱解和氣化、碳納米材料的制備及應(yīng)用、甲烷芳構(gòu)化、太陽(yáng)能電池等。迄今在Carbon, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Solar Energy Materials and Solar Cells, Catalysis Science & Technology, Applied Catalysis A: General等國(guó)際期刊發(fā)表論文27篇，其中單篇最高引用次數(shù)超過(guò)100次。
導(dǎo)熱材料介紹
導(dǎo)熱材料是一種新型工業(yè)材料，是近年來(lái)針對(duì)設(shè)備的熱傳導(dǎo)要求而設(shè)計(jì)的，性能優(yōu)異、可靠。它們適合各種環(huán)境和要求，對(duì)可能出現(xiàn)的導(dǎo)熱問(wèn)題都有妥善的對(duì)策，對(duì)設(shè)備的高度集成，以及超小超薄提供了有力的幫助，導(dǎo)熱產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到許多產(chǎn)品中，提高了產(chǎn)品的可靠性。
表：導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱率
傳統(tǒng)的散熱材料主要依靠于金屬，例如銀、銅、鋁等，但是金屬材料的一些固有性質(zhì)，例如密度大、耐腐蝕性差等已經(jīng)嚴(yán)重的制約了其在散熱材料方面的應(yīng)用。而碳基材料由于其質(zhì)輕、耐腐蝕、良好的機(jī)械性能、優(yōu)良的熱導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是有極大的發(fā)展空間的高導(dǎo)熱材料。
石墨導(dǎo)熱材料
石墨的導(dǎo)熱性能雖然不及石墨烯和金剛石，但是其不僅有金屬材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，還具有像有機(jī)塑料一樣的可塑性，并且還有，化學(xué)穩(wěn)定性，潤(rùn)滑和能涂敷在固體表面的等等一些良好的工藝性能，因此，石墨導(dǎo)熱材料在電子，通信，照明，航空及國(guó)防軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
石墨獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，致使其熱流量傳輸主要集中在兩個(gè)方向：X-Y軸和Z軸。X-Y軸的導(dǎo)熱系數(shù)為300～1500 Wm-1K-1，Z軸的導(dǎo)熱系數(shù)約10 Wm-1K-1。因?yàn)槠洫?dú)特的晶粒取向，所以有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是沿兩個(gè)方向均勻?qū)�，這樣就能避免局部過(guò)熱的現(xiàn)象。
金剛石導(dǎo)熱材料
金剛石的導(dǎo)熱率不是固定的，有一個(gè)變化的范圍，作為金剛石散熱片的主要是IIa型的單晶金剛石和熱導(dǎo)率符合要求的多晶金剛石，IIa型金剛石的熱導(dǎo)率，在液態(tài)空氣溫度下，比銅高25倍，在室溫下，比銅高5倍。在200℃時(shí)，比銅高3倍。天然金剛石是在地下深處的超高壓、超高溫條件下形成的，儲(chǔ)量極少，價(jià)格極其昂貴，就是我們生活中說(shuō)的鉆石的原身。所以工業(yè)上一般采用人工合成的方法生產(chǎn)，即人造金剛石。現(xiàn)在比較有發(fā)展前景的應(yīng)用是通過(guò)對(duì)CPU表面涂覆金剛石涂層起到高散熱的效果。
石墨烯導(dǎo)熱材料
石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)銅鋁鐵等金屬導(dǎo)體，其本質(zhì)原因是在石墨烯分子中，碳原子構(gòu)成六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，且都是單鍵，這樣每個(gè)碳原子都有一個(gè)自由電子，自由電子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高效能的傳熱。在導(dǎo)熱的過(guò)程中，晶格振動(dòng)起主要作用。其導(dǎo)熱系數(shù)是溫度、尺寸的函數(shù)。石墨烯的導(dǎo)熱性能主要受石墨烯的尺寸、溫度、基底的影響，但由于石墨烯種類(lèi)的繁多和性能的可調(diào)控性，深入研究石墨烯結(jié)構(gòu)變化和各種性能是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作。
優(yōu)異的導(dǎo)熱和力學(xué)性能使石墨烯在熱管領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Γ@些性能都是基于微觀的納米尺寸，難以直接利用。因此，將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料（如下圖），同時(shí)保持其納米效應(yīng)是石墨烯規(guī)�；瘧�(yīng)用的重要途徑。石墨烯基薄膜可作為柔性面像散熱體材料，滿(mǎn)足LED照明、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星電路、激光武器、手持終端設(shè)備等高效率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求。
對(duì)宏觀材料來(lái)說(shuō)，高導(dǎo)熱和高柔性正如蹺蹺板的兩極，不可兼得。研究者們致力于制備出一種兼具高導(dǎo)熱性和高柔性的材料，未來(lái)可用于折疊手機(jī)和電腦，甚至是航天領(lǐng)域。浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型石墨烯膜非常柔韌，能夠承受反復(fù)折疊和彎曲。在呈現(xiàn)超柔性的同時(shí)，這種石墨烯膜還具有高導(dǎo)熱性，刷新了宏觀材料導(dǎo)熱率的紀(jì)錄。其制備過(guò)程是將石墨烯交疊起來(lái)后加溫，石墨烯膜內(nèi)部就產(chǎn)生一個(gè)個(gè)微小的氣囊，隨后再施加壓力把微氣囊中的氣體排出，豐富密集的微褶皺就形成了。在宏觀層面，石墨烯膜的表明仍很光滑。微小的褶皺為材料在拉伸彎折時(shí)提供足夠的應(yīng)變空間，使高柔性成為可能，同時(shí)又不在宏觀上損害材料的高導(dǎo)熱性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其導(dǎo)熱性比商用石墨膜要好。
雖然單層的石墨烯完美晶體有著非常好的導(dǎo)熱性能，但是要到應(yīng)用階段就必須對(duì)石墨烯進(jìn)行從納米片層到微米薄膜的組裝。目前想要得到高導(dǎo)熱率的石墨烯薄膜必須解決兩個(gè)主要問(wèn)題：
(1)石墨烯片層組裝的取向度，取向度極大的影響石墨烯薄膜二維平面方向的熱導(dǎo)率。
(2) 石墨烯片層間隙：石墨烯片層組裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的層間空隙，空隙不僅會(huì)形成熱阻也會(huì)會(huì)影響石墨烯薄膜的密度，從而降低石墨烯導(dǎo)熱膜的整體傳熱效率。
很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前著力于解決石墨烯組裝的取向度問(wèn)題，包括使用靜電噴涂、抽濾等制作薄膜的工藝來(lái)提高片層的取向度。這些制膜工藝上的改進(jìn)確實(shí)能很大程度地提高石墨烯薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率，但是這些方法沒(méi)有從根本上解決解決石墨烯薄膜在組裝時(shí)片層間的空隙問(wèn)題。我們期待能盡快有效解決石墨烯薄膜間隙的填充問(wèn)題，那么就會(huì)極大的提高薄膜的熱導(dǎo)率。
