湖南大学陈小华教授课题组在石墨烯薄膜散热方面取得重要进展
热量管理，是决定现代电子、光电子等器件性能和可靠性的决定性因素，电子器件工作时，相当一部分功率损耗转化为热的形式，会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对电子器件的工作可靠性和使用寿命造成严重威胁，高性能散热材料和热界面材料的研究与开发已经受到科学界和工业界的广泛关注。
随着电子设备的功率和集成度越来越高以及智能和柔性设备的兴起，给与其高要求匹配的热管理材料的研发带来了新的挑战。金属材料的高密度、高刚性、较差的耐腐蚀性以及有限的热导率(～400 W/m K )限制了其在大功率柔性设备中的应用，因此开发一种轻质、高导热、耐腐蚀、力学强度和柔韧性优异的新的散热材料尤为迫切。石墨烯是碳原子以sp2键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构,单层石墨烯的热导率可达 5300W/(m · K) ,并且有良好的热稳定性。除此之外, 石墨烯的二维几何形状,与基体材料的强耦合及低成本,都使得石墨烯成为散热的理想材料。目前，宏观石墨烯薄膜在面内方向的热导率大多都超过1200 W/(m · K)以上，远高于传统的石墨材料和金属材料，但由于石墨烯层与层之间仅靠弱范德华力耦合，在厚度方向的热导率比面内低两个数量级（通常热导率低于10 W/m K ），远不能满足目前的应用要求，限制了石墨烯薄膜在高效散热材料领域的进一步应用。
图1 石墨烯薄膜三维传热通道示意图
图2 折叠次数对石墨烯导热性的影响
近期，湖南大学陈小华教授课题组与加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授合作，通过构建3D互穿石墨烯通道，制备了在面内方向和厚度方向均具有高热导率的柔性可折叠石墨烯薄膜。以超细高分子纤维为骨架，氧化石墨烯作为成膜物质，通过氧化石墨烯的含氧官能团与高分子纤维的键合作用，并借助高温碳化处理使碳原子重排，相互扩散，结合紧密，结合石墨烯片层表面与高分子存在的晶格匹配关系而产生的“物理铆合”作用，显著提高二者之间的界面黏结性，从而使高分子纤维在碳化过程中与成膜的石墨烯“焊接”起来，形成3D互连的微铰链状结构，石墨烯紧密包覆于纤维表面，获得结构致密的一体化全碳复合薄膜。这种设计为厚度方向和面内方向的热输运提供了石墨烯互穿的高速通路，结合氧化石墨烯和纤维之间的石墨化协同效应，界面热阻小，从而使薄膜在面内方向和厚度方向兼具高导热性能，特别是在厚度方向的热导率取得突破：面内方向热导率为1428±64 W/m K，厚度方向热导率为150±7 W/m K，达到金属水平。此外，复合薄膜不但具有骨架结构独特的强度高、柔韧性好的特点，而且热处理过程形成的微孔以及在碳/碳材料表面和内部形成的大量纳米褶皱，结合微铰链状3D结构，赋予碳膜柔韧性和可折叠性。新的石墨烯薄膜散热材料制备技术路线工艺简单，原材料来源广泛，适合工业化生产，可大规模应用在各种可穿戴设备、电子器件、电子设备以及对散热要求较高的大型装备领域。
相关结果发表在Small（DOI: 10.1002/smll.201903315）上。论文的第一作者为湖南大学材料科学与工程学院博士生李艳花，通讯作者为湖南大学陈小华教授和加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201903315
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