深圳长石新能源科技有限公司： 科普 石墨烯在导热领域的应用

深圳长石新能源科技有限公司：科普 |石墨烯在导热领域的应用

1高导热石墨烯膜的应用

石墨烯薄膜可用作电子元件中的散热器，散热器通常贴合在易发热的电子元件表面，将热源产生的热量均匀分散。散热器通常由高热导率的材料制成，常见散热器有铜片、铝片、石墨片等。其中热导率最高、散热效果最好的是由聚酰亚胺薄膜经石墨化工艺得到的人工石墨导热膜，平面方向热导率可达70–1950 W·m−1·K−1，厚度为1–100μm，具有良好的导热效果，在过去很长一段时间内都是导热膜的最理想选择。

在此背景之下，研究高导热石墨烯膜有两个重要意义，其一，是由于人工石墨膜成本较高，且高质量聚酰亚胺薄膜制备困难，业界希望高导热石墨烯膜能够作为替代方案。其二，是由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案不仅要求导热膜具有较高的热导率，也要求导热膜具有一定厚度，以提高平面方向的导热通量。在人工石墨膜中，由于聚酰亚胺分子取向度的原因，石墨化聚酰亚胺导热膜只有在厚度较小时才具有较高的热导率。而石墨烯导热膜则易于做成厚度较大的导热膜(~100μm)，在新型电子器件热管理系统中具有良好的应用前景。因此，石墨烯导热膜的研究也主要沿着两个方向，其一，是提高石墨烯导热膜的面内方向热导率，以接近或超过人工石墨膜的水平。其二，是提高石墨烯导热膜的厚度，扩大导热通量，同时保持良好的热传导性能。以下将从这两方面分别讨论。

1.1提高石墨烯膜热导率的关键技术

高导热石墨烯薄膜的常见制备方法是还原氧化石墨烯。首先通过Hummers法得到氧化石墨烯(GO，graphene oxide)分散液，然后通过自然干燥、真空抽滤、电喷雾等方法得到自支撑的氧化石墨烯薄膜，并通过化学还原、热处理等方法得到还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，最后通过高温石墨化提高结晶度，得到高导热石墨烯薄膜。

影响高导热石墨烯膜热导率最重要的因素是组装成膜的石墨烯片的热导率，主要由氧化石墨烯的还原工艺决定。由于氧化石墨烯分散液的制备通常在强酸条件下进行，破坏石墨烯的平面结构，同时引入了环氧官能团，造成声子散射增加。氧化石墨烯的还原工艺对还原产物的结构、性能影响较大，因而需要选择合适的还原工艺制备石墨烯导热膜。氧化石墨烯膜在1000 °C热处理后可以除去环氧、羟基、羰基等环氧官能团，但是石墨烯晶格缺陷的修复仍需更高温度。Shen等通过自然蒸干的方式制备了氧化石墨烯薄膜，并通过2000 °C热处理的方式对氧化石墨烯薄膜进行石墨化，C/O原子比由石墨烯薄膜的2.9提高到石墨化后的73.1，X射线衍射(XRD)图谱上石墨烯薄膜11.1°峰完全消失，26.5°的峰宽缩窄，对应石墨(002)方向上原子层间距为0.33 nm，测量热导率为1100 W·m−1·K−1，热导率优于由膨胀石墨制备的石墨导热片。

Xin等用电喷雾方法制备大尺寸氧化石墨烯薄膜并在2200 °C下高温还原，得到热导率为1283 W·m−1·K−1的石墨烯导热膜，通过SEM截面图观察发现具有紧密的片层排列结构，且具有较好的柔性。通过拉曼光谱、XPS和XRD表征可以看出，2200 °C为氧化石墨烯还原的最适宜温度，当还原温度更高时，石墨烯的电导率和热导率提升不再显著(图3)。

影响高导热石墨烯膜热导率的第二个因素是石墨烯的片层尺寸。前文Xu等的工作表明，单层石墨烯的导热声子平均自由程可达~10μm量级，选择大尺寸的石墨烯片层有利于减少声子与材料边界的散射，提高热导率。Kumar等用片层大小超过80μm的石墨片作为原材料，经Hummers法制备得到平均片层大小约30μm的氧化石墨烯分散液，并通过真空抽滤得到氧化石墨烯薄膜，经过57%的HI处理还原后得到石墨烯膜，测量得到强度达到77 MPa，热导率超过1390 W·m−1·K−1。Peng等用平均片层尺寸108μm的GO制备了氧化石墨烯薄膜，并通过3000 °C热处理还原，得到热导率高达1940 W·m−1·K−1的石墨烯薄膜。

除了通过还原氧化石墨烯薄膜，石墨烯膜还可通过石墨烯分散液的方法制备。Teng等利用球磨方法将石墨块体剥离成石墨烯片层，并得到浓度为2.6 mg·mL−1的石墨烯的N-甲基吡咯烷酮(NMP)分散液。再通过抽滤、烘干、2850 °C热处理得到石墨烯薄膜，测量热导率为1529W·m−1·K−1。一般认为，由石墨烯分散液制备石墨烯薄膜的最大优势在于保留了石墨烯的平面结构，使得薄膜具有比较高的本征热导率。

这一优势从理论上讲具有合理性，但是仔细分析便可发现并非绝对：由于制备石墨烯分散液往往需要施加强机械力(研磨、球磨等)，石墨烯分散液中的片层尺寸通常较小(小于1μm)；而且由于缺少含氧官能团，石墨烯片层间的相互作用较弱，存在着优劣势相互抵消的可能性，所以在实际应用前仍需要经过石墨化过程。我们认为，这一方法的优势在于易规模化、生产效率高。由于不存在片层相互作用，石墨烯分散液抽滤成膜速度较快(~几小时)，易于连续抽滤；对比氧化石墨烯抽滤成膜，通常需要几天方可得到几十微米厚度的薄膜。同时，由于制备石墨烯分散液可由机械研磨完成，易于实现规模化、标准化，因而具有良好的工业应用前景。

2高导热石墨烯纤维的应用

03石墨烯在热界面材料中的应用

3.1分散性