碳基導熱膜：有了這種膜，手機再也不燙手了
由於智能手機局部過熱，甚至會導致手機爆炸，如今很多手機里加了石墨導熱膜，有效解決了手機的散熱問題。不止手機，很多電子器件都需要性能好的散熱材料，石墨烯由於其特殊的結構，表現出優於其他已知材料的導熱性，而且石墨烯同時具備高柔性，將來在很多高科技產品中會有非常重要的應用。想要獲取更多關於碳基導熱材料的前沿知識？蘇州「2018低維碳納米材料製備及應用技術交流會」上，中國科學院過程工程研究所研究員崔彥斌將會帶您深入了解《高效碳基導熱膜》。
崔彥斌：研究員，博士生導師。2008年獲中國科學院過程工程研究所化學工程專業博士學位，之後在日本(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，Nagoya University)、美國(University of Minnesota Duluth，Florida State University)、加拿大(York University)等國家從事博士後研究。2015年入選中國科學院過程工程研究所「百人計劃」，現為中國科學院過程工程研究所多相複雜系統國家重點實驗室研究員，主要研究方向包括：煤的熱解和氣化、碳納米材料的製備及應用、甲烷芳構化、太陽能電池等。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等國際期刊發表論文27篇，其中單篇最高引用次數超過100次。
導熱材料介紹
導熱材料是一種新型工業材料，是近年來針對設備的熱傳導要求而設計的，性能優異、可靠。它們適合各種環境和要求，對可能出現的導熱問題都有妥善的對策，對設備的高度集成，以及超小超薄提供了有力的幫助，導熱產品已經越來越多的應用到許多產品中，提高了產品的可靠性。
表1：導熱材料的導熱率
傳統的散熱材料主要依靠於金屬，例如銀、銅、鋁等，但是金屬材料的一些固有性質，例如密度大、耐腐蝕性差等已經嚴重的制約了其在散熱材料方面的應用。而碳基材料由於其質輕、耐腐蝕、良好的機械性能、優良的熱導率、較小的熱膨脹係數等優點，被認為是有極大的發展空間的高導熱材料。
石墨導熱材料
石墨的導熱性能雖然不及石墨烯和金剛石，但是其不僅有金屬材料的導電、導熱性能，還具有像有機塑料一樣的可塑性，並且還有，化學穩定性，潤滑和能塗敷在固體表面的等等一些良好的工藝性能，因此，石墨導熱材料在電子，通信，照明，航空及國防軍工等許多領域都得到了廣泛的應用。
石墨獨特的晶體結構，致使其熱流量傳輸主要集中在兩個方向：X-Y軸和Z軸。X-Y軸的導熱係數為300～1500 Wm-1K-1，Z軸的導熱係數約10 Wm-1K-1。因為其獨特的晶粒取向，所以有一個很大的優點是沿兩個方向均勻導熱，這樣就能避免局部過熱的現象。
金剛石導熱材料
表：金剛石的導熱率
(Wm-1K-1)
金剛石的導熱率不是固定的，有一個變化的範圍，作為金剛石散熱片的主要是IIa型的單晶金剛石和熱導率符合要求的多晶金剛石，IIa型金剛石的熱導率，在液態空氣溫度下，比銅高25倍，在室溫下，比銅高5倍。在200℃時，比銅高3倍。天然金剛石是在地下深處的超高壓、超高溫條件下形成的，儲量極少，價格極其昂貴，就是我們生活中說的鑽石的原身。所以工業上一般採用人工合成的方法生產，即人造金剛石。現在比較有發展前景的應用是通過對CPU表面塗覆金剛石塗層起到高散熱的效果。
石墨烯導熱材料
石墨烯具有優良的導熱性，導熱係數遠超過銅鋁鐵等金屬導體，其本質原因是在石墨烯分子中，碳原子構成六角形蜂窩狀結構，且都是單鍵，這樣每個碳原子都有一個自由電子，自由電子的運動實現了高效能的傳熱。在導熱的過程中，晶格振動起主要作用。其導熱係數是溫度、尺寸的函數。石墨烯的導熱性能主要受石墨烯的尺寸、溫度、基底的影響，但由於石墨烯種類的繁多和性能的可調控性，深入研究石墨烯結構變化和各種性能是一項長期的工作。
優異的導熱和力學性能使石墨烯在熱管領域極具發展潛力，但這些性能都是基於微觀的納米尺寸，難以直接利用。因此，將納米的石墨烯宏觀組裝形成薄膜材料（如下圖），同時保持其納米效應是石墨烯規模化應用的重要途徑。石墨烯基薄膜可作為柔性面像散熱體材料，滿足LED照明、計算機、衛星電路、激光武器、手持終端設備等高效率、高集成度系統的散熱需求。
對宏觀材料來說，高導熱和高柔性正如蹺蹺板的兩極，不可兼得。研究者們致力於製備出一種兼具高導熱性和高柔性的材料，未來可用於摺疊手機和電腦，甚至是航天領域。浙江大學高分子系高超教授團隊研發的新型石墨烯膜非常柔韌，能夠承受反覆摺疊和彎曲。在呈現超柔性的同時，這種石墨烯膜還具有高導熱性，刷新了宏觀材料導熱率的紀錄。其製備過程是將石墨烯交疊起來後加溫，石墨烯膜內部就產生一個個微小的氣囊，隨後再施加壓力把微氣囊中的氣體排出，豐富密集的微褶皺就形成了。在宏觀層面，石墨烯膜的表明仍很光滑。微小的褶皺為材料在拉伸彎折時提供足夠的應變空間，使高柔性成為可能，同時又不在宏觀上損害材料的高導熱性。經實驗驗證，其導熱性比商用石墨膜要好。
雖然單層的石墨烯完美晶體有著非常好的導熱性能，但是要到應用階段就必須對石墨烯進行從納米片層到微米薄膜的組裝。目前想要得到高導熱率的石墨烯薄膜必須解決兩個主要問題：
(1)石墨烯片層組裝的取向度，取向度極大的影響石墨烯薄膜二維平面方向的熱導率。
(2) 石墨烯片層間隙：石墨烯片層組裝時會產生較大的層間空隙，空隙不僅會形成熱阻也會會影響石墨烯薄膜的密度，從而降低石墨烯導熱膜的整體傳熱效率。
很多研發團隊目前著力於解決石墨烯組裝的取向度問題，包括使用靜電噴塗、抽濾等製作薄膜的工藝來提高片層的取向度。這些制膜工藝上的改進確實能很大程度地提高石墨烯薄膜的面內熱導率，但是這些方法沒有從根本上解決解決石墨烯薄膜在組裝時片層間的空隙問題。我們期待能儘快有效解決石墨烯薄膜間隙的填充問題，那麼就會極大的提高薄膜的熱導率。
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2018低維碳納米材料製備及應用技術交流會
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