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上海大学石墨烯研究取得新进展:新型石墨烯薄膜热导率高于石墨薄膜

Created Date 6/22/2018    View Numbers  742 Return    
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        石墨烯研究领域的科学家一直假设石墨烯组装的薄膜在热导率上无法超越传统石墨薄膜。众所周知,单层石墨烯的热导率在3500 -5000W/mK之间。如果将石墨烯片层堆叠在一起,严格意义上来说这种堆叠结构的热性能会更趋向于石墨,而非石墨烯。如今,石墨膜广泛使用在移动手机和各种高功率器件的散热应用,其热导率可以高达1950W/mK。因此,科学家们一般普遍认为由石墨烯组装的薄膜在热导率上不会超过石墨膜。
       上海大学刘建影教授及其研究团队的科研人员最近改变了这种事实。他们发现,通过调节及优化微观及宏观制备工艺过程,通过精确控制石墨烯的晶粒尺寸和堆叠顺序,可以使得石墨烯薄膜的热导率高达3200W/mK。比传统石墨膜提高了60%以上。
并且他们还发现,石墨烯薄膜的高导热率来之于较大的晶粒尺寸,高平整度以及较弱的层间结合能等因素。这些因素的控制使得参与热传递的声子能够在石墨烯层内快速传输,且不受到周围层的干扰,从而带来了极高的热导率。
       “这确实是一个非常重要的科学突破,这项技术可能会对现有的石墨薄膜制备工艺的改变产生重大影响”,刘建影教授介绍说。该团队同时也发现,石墨烯薄膜展现出了三倍于石墨膜的抗拉强度,其数值高达70MPa。
这种高导热性能的石墨烯薄膜的制备技术来源于氧化石墨烯片层在铝基板上的自组装和同步还原,以及使用干法鼓泡技术分离薄膜,并且通过高温热处理和机械碾压而来。从而使获得的石墨烯薄膜具有大晶粒尺寸,平整的堆叠,超薄的结构以及微弱的层间结合能。这些结构特点可以促使高频扩散声子和低频弹性声子在石墨烯面内的快速传递,从而为石墨烯薄膜带来优异的热导率。
       石墨烯薄膜超高的热导率和超薄柔性以及优异的机械性能使其作为散热材料应用在可便携设备和其他高功率器件的散热方面展现巨大的潜力。
       伴随着电子系统不断的微型化及集成化,其性能和可靠性将越来越多的受制于散热问题。为了解决此问题,散热材料需要具备更高的热导率和超薄柔软且优异的机械性能以满足功率器件复杂和高密度集成的需求。传统商用散热材料,例如铜,铝,以及石墨膜,将不能够满足以上的需求。
这是该团队在自然通信 (Nat. Commun. 7:11281 doi: 10.1038/ncomms11281 (2016), 先进材料(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)之后发表的又一篇有关高导热石墨烯薄膜制备及调控的论文。上海大学刘建影教授是该文章的通信作者。团队的博士生陈淑静,黄时荣实验员,袁光杰讲师参与了该工作。他们与瑞典查尔莫斯理工大学的团队一起负责石墨烯材料热处理工艺优化方面的工作。石墨烯薄膜制备技术已转移至深圳深瑞墨烯公司。该公司将负责高导热石墨烯薄膜材料的大规模生产及工业化。
       该研究工作由不同科研单位及公司的研究人员通力合作完成,其中包括瑞典的查尔莫斯理工大学,乌普萨拉大学和SHT Smart High Tech AB公司,同济大学,以及美国的科罗拉多大学。
       该项目得到了国家重点研发专项 (2017YFB0406300), 上海市教委高峰,高原学科建设项目的资助。
该研究论文Tailoring the Thermal and Mechanical Properties of Graphene Film by Structural Engineering(石墨烯薄膜热与机械性能的结构调控)已在线发表于国际著名杂志Small 上 (冲击因子: 8.643). 具体链接如下:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201801346


图1. 石墨烯薄膜制造工艺. a)干法鼓泡分离薄膜,石墨化及压延工艺示意图. b) 高速剪切混合发制备平均直径为6微米的氧化石墨烯光学显微镜照片. c) 小于1 纳米厚的氧化石墨烯原子力显微镜照片. d) 0,8微米的石墨烯薄膜扫描显微镜照片. e) 柔性大面积石墨烯薄膜光学显微镜照片。

图2. 28500C,13000C处理的石墨烯薄膜, 商用碳化石墨薄膜横向热导率,铜,铝热导率的比较。测试方法:真空焦耳自加热及热桥发。图中照片展示了28500C处理及压延过的石墨烯薄膜的截面及表面。图中插图展示石墨烯薄膜横向热导率与无序叠加排列的石墨烯的相对体积含量之间的关系。


图3. 石墨烯新型散热片的展示。a)热测试平台. b)0,8微米, 2微米厚28500C热处理过石墨烯薄膜与10 微米铝膜的温度分布比较. c)红外照片。



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