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上海大學石墨烯研究取得新進展:新型石墨烯薄膜熱導率高于石墨薄膜

石墨烯研究領域的科學家一直假設石墨烯組裝的薄膜在熱導率上無法超越傳統石墨薄膜。眾所周知,單層石墨烯的熱導率在3500 -5000W/mK之間。如果將石墨烯片層堆疊在一起,嚴格意義上來說這種堆疊結構的熱性能會更趨向于石墨,而非石墨烯。如今,石墨膜廣泛使用在移動手機和各種高功率器件的散熱應用,其熱導率可以高達1950W/mK。因此,科學家們一般普遍認為由石墨烯組裝的薄膜在熱導率上不會超過石墨膜。
       上海大學劉建影教授及其研究團隊的科研人員最近改變了這種事實。他們發現,通過調節及優化微觀及宏觀制備工藝過程,通過精確控制石墨烯的晶粒尺寸和堆疊順序,可以使得石墨烯薄膜的熱導率高達3200W/mK。比傳統石墨膜提高了60%以上。
并且他們還發現,石墨烯薄膜的高導熱率來之于較大的晶粒尺寸,高平整度以及較弱的層間結合能等因素。這些因素的控制使得參與熱傳遞的聲子能夠在石墨烯層內快速傳輸,且不受到周圍層的干擾,從而帶來了極高的熱導率。
       “這確實是一個非常重要的科學突破,這項技術可能會對現有的石墨薄膜制備工藝的改變產生重大影響”,劉建影教授介紹說。該團隊同時也發現,石墨烯薄膜展現出了三倍于石墨膜的抗拉強度,其數值高達70MPa。 
這種高導熱性能的石墨烯薄膜的制備技術來源于氧化石墨烯片層在鋁基板上的自組裝和同步還原,以及使用干法鼓泡技術分離薄膜,并且通過高溫熱處理和機械碾壓而來。從而使獲得的石墨烯薄膜具有大晶粒尺寸,平整的堆疊,超薄的結構以及微弱的層間結合能。這些結構特點可以促使高頻擴散聲子和低頻彈性聲子在石墨烯面內的快速傳遞,從而為石墨烯薄膜帶來優異的熱導率。
       石墨烯薄膜超高的熱導率和超薄柔性以及優異的機械性能使其作為散熱材料應用在可便攜設備和其他高功率器件的散熱方面展現巨大的潛力。
       伴隨著電子系統不斷的微型化及集成化,其性能和可靠性將越來越多的受制于散熱問題。為了解決此問題,散熱材料需要具備更高的熱導率和超薄柔軟且優異的機械性能以滿足功率器件復雜和高密度集成的需求。傳統商用散熱材料,例如銅,鋁,以及石墨膜,將不能夠滿足以上的需求。
這是該團隊在自然通信 (Nat. Commun. 7:11281 doi: 10.1038/ncomms11281 (2016), 先進材料(DOI: 10.1002/adma.201104408)及碳 (Carbon 106 (2016) 195-201, http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2016.05.014), (Carbon 61 (2013) 342-348,http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2013.05.014)之后發表的又一篇有關高導熱石墨烯薄膜制備及調控的論文。上海大學劉建影教授是該文章的通信作者。團隊的博士生陳淑靜,黃時榮實驗員,袁光杰講師參與了該工作。他們與瑞典查爾莫斯理工大學的團隊一起負責石墨烯材料熱處理工藝優化方面的工作。石墨烯薄膜制備技術已轉移至深圳深瑞墨烯公司。該公司將負責高導熱石墨烯薄膜材料的大規模生產及工業化。
       該研究工作由不同科研單位及公司的研究人員通力合作完成,其中包括瑞典的查爾莫斯理工大學,烏普薩拉大學和SHT Smart High Tech AB公司,同濟大學,以及美國的科羅拉多大學。
       該項目得到了國家重點研發專項 (2017YFB0406300), 上海市教委高峰,高原學科建設項目的資助。
該研究論文Tailoring the Thermal and Mechanical Properties of Graphene Film by Structural Engineering(石墨烯薄膜熱與機械性能的結構調控)已在線發表于國際著名雜志Small 上 (沖擊因子: 8.643). 具體鏈接如下:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201801346


圖1. 石墨烯薄膜制造工藝. a)干法鼓泡分離薄膜,石墨化及壓延工藝示意圖. b) 高速剪切混合發制備平均直徑為6微米的氧化石墨烯光學顯微鏡照片. c) 小于1 納米厚的氧化石墨烯原子力顯微鏡照片. d) 0,8微米的石墨烯薄膜掃描顯微鏡照片. e) 柔性大面積石墨烯薄膜光學顯微鏡照片。

圖2. 28500C,13000C處理的石墨烯薄膜, 商用碳化石墨薄膜橫向熱導率,銅,鋁熱導率的比較。測試方法:真空焦耳自加熱及熱橋發。圖中照片展示了28500C處理及壓延過的石墨烯薄膜的截面及表面。圖中插圖展示石墨烯薄膜橫向熱導率與無序疊加排列的石墨烯的相對體積含量之間的關系。


圖3. 石墨烯新型散熱片的展示。a)熱測試平臺. b)0,8微米, 2微米厚28500C熱處理過石墨烯薄膜與10 微米鋁膜的溫度分布比較. c)紅外照片。

來源:上海大學

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