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碳基导热膜:有了这种膜,手机再也不烫手了


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  导热材料是一种新型工业材料,是近年来针对设备的热传导要求而设计的,性能优异、可靠。它们适合各种环境和要求,对可能出现的导热问题都有妥善的对策,对设备的高度集成,以及超小超薄提供了有力的帮助,导热产品已经越来越多的应用到许多产品中,提高了产品的可靠性。

中国粉体网讯  由于智能手机局部过热,甚至会导致手机爆炸,如今很多手机里加了石墨导热膜,有效解决了手机的散热问题。不止手机,很多电子器件都需要性能好的散热材料,石墨烯由于其特殊的结构,表现出优于其他已知材料的导热性,而且石墨烯同时具备高柔性,将来在很多高科技产品中会有非常重要的应用。想要获取更多关于碳基导热材料的前沿知识?苏州“2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”上,中国科学院过程工程研究所研究员崔彦斌将会带您深入了解《高效碳基导热膜》。


 


崔彦斌:研究员,博士生导师。2008年获中国科学院过程工程研究所化学工程专业博士学位,之后在日本(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology,Nagoya University)、美国(University of Minnesota Duluth,Florida State University)、加拿大(York University)等国家从事博士后研究。2015年入选中国科学院过程工程研究所“百人计划”,现为中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室研究员,主要研究方向包括:煤的热解和气化、碳纳米材料的制备及应用、甲烷芳构化、太阳能电池等。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等国际期刊发表论文27篇,其中单篇最高引用次数超过100次。


导热材料介绍


导热材料是一种新型工业材料,是近年来针对设备的热传导要求而设计的,性能优异、可靠。它们适合各种环境和要求,对可能出现的导热问题都有妥善的对策,对设备的高度集成,以及超小超薄提供了有力的帮助,导热产品已经越来越多的应用到许多产品中,提高了产品的可靠性。


表:导热材料的导热率





传统的散热材料主要依靠于金属,例如银、铜、铝等,但是金属材料的一些固有性质,例如密度大、耐腐蚀性差等已经严重的制约了其在散热材料方面的应用。而碳基材料由于其质轻、耐腐蚀、良好的机械性能、优良的热导率、较小的热膨胀系数等优点,被认为是有极大的发展空间的高导热材料。


石墨导热材料


石墨的导热性能虽然不及石墨烯和金刚石,但是其不仅有金属材料的导电、导热性能,还具有像有机塑料一样的可塑性,并且还有,化学稳定性,润滑和能涂敷在固体表面的等等一些良好的工艺性能,因此,石墨导热材料在电子,通信,照明,航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。




石墨独特的晶体结构,致使其热流量传输主要集中在两个方向:X-Y轴和Z轴。X-Y轴的导热系数为300~1500 Wm-1K-1,Z轴的导热系数约10 Wm-1K-1。因为其独特的晶粒取向,所以有一个很大的优点是沿两个方向均匀导热,这样就能避免局部过热的现象。


 


金刚石导热材料




金刚石的导热率不是固定的,有一个变化的范围,作为金刚石散热片的主要是IIa型的单晶金刚石和热导率符合要求的多晶金刚石,IIa型金刚石的热导率,在液态空气温度下,比铜高25倍,在室温下,比铜高5倍。在200℃时,比铜高3倍。天然金刚石是在地下深处的超高压、超高温条件下形成的,储量极少,价格极其昂贵,就是我们生活中说的钻石的原身。所以工业上一般采用人工合成的方法生产,即人造金刚石。现在比较有发展前景的应用是通过对CPU表面涂覆金刚石涂层起到高散热的效果。


石墨烯导热材料


石墨烯具有优良的导热性,导热系数远超过铜铝铁等金属导体,其本质原因是在石墨烯分子中,碳原子构成六角形蜂窝状结构,且都是单键,这样每个碳原子都有一个自由电子,自由电子的运动实现了高效能的传热。在导热的过程中,晶格振动起主要作用。其导热系数是温度、尺寸的函数。石墨烯的导热性能主要受石墨烯的尺寸、温度、基底的影响,但由于石墨烯种类的繁多和性能的可调控性,深入研究石墨烯结构变化和各种性能是一项长期的工作。


优异的导热和力学性能使石墨烯在热管领域极具发展潜力,但这些性能都是基于微观的纳米尺寸,难以直接利用。因此,将纳米的石墨烯宏观组装形成薄膜材料(如下图),同时保持其纳米效应是石墨烯规模化应用的重要途径。石墨烯基薄膜可作为柔性面像散热体材料,满足LED照明、计算机、卫星电路、激光武器、手持终端设备等高效率、高集成度系统的散热需求。


 


对宏观材料来说,高导热和高柔性正如跷跷板的两极,不可兼得。研究者们致力于制备出一种兼具高导热性和高柔性的材料,未来可用于折叠手机和电脑,甚至是航天领域。浙江大学高分子系高超教授团队研发的新型石墨烯膜非常柔韧,能够承受反复折叠和弯曲。在呈现超柔性的同时,这种石墨烯膜还具有高导热性,刷新了宏观材料导热率的纪录。其制备过程是将石墨烯交叠起来后加温,石墨烯膜内部就产生一个个微小的气囊,随后再施加压力把微气囊中的气体排出,丰富密集的微褶皱就形成了。在宏观层面,石墨烯膜的表明仍很光滑。微小的褶皱为材料在拉伸弯折时提供足够的应变空间,使高柔性成为可能,同时又不在宏观上损害材料的高导热性。经实验验证,其导热性比商用石墨膜要好。


 


虽然单层的石墨烯完美晶体有着非常好的导热性能,但是要到应用阶段就必须对石墨烯进行从纳米片层到微米薄膜的组装。目前想要得到高导热率的石墨烯薄膜必须解决两个主要问题:

(1)石墨烯片层组装的取向度,取向度极大的影响石墨烯薄膜二维平面方向的热导率。

(2) 石墨烯片层间隙:石墨烯片层组装时会产生较大的层间空隙,空隙不仅会形成热阻也会会影响石墨烯薄膜的密度,从而降低石墨烯导热膜的整体传热效率。


很多研发团队目前着力于解决石墨烯组装的取向度问题,包括使用静电喷涂、抽滤等制作薄膜的工艺来提高片层的取向度。这些制膜工艺上的改进确实能很大程度地提高石墨烯薄膜的面内热导率,但是这些方法没有从根本上解决解决石墨烯薄膜在组装时片层间的空隙问题。我们期待能尽快有效解决石墨烯薄膜间隙的填充问题,那么就会极大的提高薄膜的热导率。

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