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上海大學(xué)石墨烯研究取得新進(jìn)展：新型石墨烯薄膜熱導(dǎo)率高于石墨薄膜

來源：作者：發(fā)布日期：2018-07-03 訪問次數(shù)：6074

石墨烯研究領(lǐng)域的科學(xué)家一直假設(shè)石墨烯組裝的薄膜在熱導(dǎo)率上無法超越傳統(tǒng)石墨薄膜。眾所周知，單層石墨烯的熱導(dǎo)率在3500 -5000W/mK之間。如果將石墨烯片層堆疊在一起，嚴(yán)格意義上來說這種堆疊結(jié)構(gòu)的熱性能會(huì)更趨向于石墨，而非石墨烯。如今，石墨膜廣泛使用在移動(dòng)手機(jī)和各種高功率器件的散熱應(yīng)用，其熱導(dǎo)率可以高達(dá)1950W/mK。因此，科學(xué)家們一般普遍認(rèn)為由石墨烯組裝的薄膜在熱導(dǎo)率上不會(huì)超過石墨膜。

上海大學(xué)劉建影教授及其研究團(tuán)隊(duì)的科研人員最近改變了這種事實(shí)。他們發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)及優(yōu)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(dǎo)率高達(dá)3200W/mK。比傳統(tǒng)石墨膜提高了60%以上。
并且他們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜的高導(dǎo)熱率來之于較大的晶粒尺寸，高平整度以及較弱的層間結(jié)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(nèi)快速傳輸，且不受到周圍層的干擾，從而帶來了極高的熱導(dǎo)率。
       “這確實(shí)是一個(gè)非常重要的科學(xué)突破，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有的石墨薄膜制備工藝的改變產(chǎn)生重大影響”，劉建影教授介紹說。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜展現(xiàn)出了三倍于石墨膜的抗拉強(qiáng)度，其數(shù)值高達(dá)70MPa。
這種高導(dǎo)熱性能的石墨烯薄膜的制備技術(shù)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(shù)分離薄膜，并且通過高溫?zé)崽幚砗蜋C(jī)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(jié)構(gòu)以及微弱的層間結(jié)合能。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以促使高頻擴(kuò)散聲子和低頻彈性聲子在石墨烯面內(nèi)的快速傳遞，從而為石墨烯薄膜帶來優(yōu)異的熱導(dǎo)率。
       石墨烯薄膜超高的熱導(dǎo)率和超薄柔性以及優(yōu)異的機(jī)械性能使其作為散熱材料應(yīng)用在可便攜設(shè)備和其他高功率器件的散熱方面展現(xiàn)巨大的潛力。
       伴隨著電子系統(tǒng)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(dǎo)率和超薄柔軟且優(yōu)異的機(jī)械性能以滿足功率器件復(fù)雜和高密度集成的需求。傳統(tǒng)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(tuán)隊(duì)在自然通信 (Nat. Commun. 7:11281 doi: 10.1038/ncomms11281 (2016), 先進(jìn)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(fā)表的又一篇有關(guān)高導(dǎo)熱石墨烯薄膜制備及調(diào)控的論文。上海大學(xué)劉建影教授是該文章的通信作者。團(tuán)隊(duì)的博士生陳淑靜，黃時(shí)榮實(shí)驗(yàn)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(xué)的團(tuán)隊(duì)一起負(fù)責(zé)石墨烯材料熱處理工藝優(yōu)化方面的工作。石墨烯薄膜制備技術(shù)已轉(zhuǎn)移至深圳深瑞墨烯公司。該公司將負(fù)責(zé)高導(dǎo)熱石墨烯薄膜材料的大規(guī)模生產(chǎn)及工業(yè)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(xué)，烏普薩拉大學(xué)和SHT Smart High Tech AB公司，同濟(jì)大學(xué)，以及美國(guó)的科羅拉多大學(xué)。
       該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng) (2017YFB0406300), 上海市教委高峰，高原學(xué)科建設(shè)項(xiàng)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(jī)械性能的結(jié)構(gòu)調(diào)控)已在線發(fā)表于國(guó)際著名雜志Small 上 (沖擊因子: 8.643).

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(fā)制備平均直徑為6微米的氧化石墨烯光學(xué)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(xué)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(dǎo)率，銅，鋁熱導(dǎo)率的比較。測(cè)試方法:真空焦耳自加熱及熱橋發(fā)。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(dǎo)率與無序疊加排列的石墨烯的相對(duì)體積含量之間的關(guān)系。