北京冬奧會(huì)給我們留下了美好的回憶，除了世界頂流冰墩墩、雪容融，還有十分亮眼的科技——石墨烯，發(fā)熱圍巾、手套、襪子、暖手寶等石墨烯產(chǎn)品在冬奧冰雪中散發(fā)科技溫度。這還僅僅只是被稱為"新材料之王"的石墨烯應(yīng)用的冰山一角，石墨烯不僅能為冬奧保暖，還能給電子產(chǎn)品"退燒"。

冰墩墩石墨烯發(fā)熱暖手寶

手機(jī)、筆電、平板以及智能穿戴等電子產(chǎn)品已成為我們生活中不可或缺的必需品，功能日益強(qiáng)大，高速處理器、高分辨率、大屏化、高像素拍攝等等，迭代更新的速度讓其他科技產(chǎn)品望塵莫及。功能高度集成和輕薄化設(shè)計(jì)也使得電子產(chǎn)品的散熱問題越發(fā)突出，新型高導(dǎo)熱石墨烯散熱膜開始大顯身手。

圖 石墨烯散熱膜，來源：深圳烯材

石墨烯散熱膜具有良好的傳熱性能和柔韌性優(yōu)異、質(zhì)輕等特點(diǎn)，作為新型高導(dǎo)熱材料備受關(guān)注，自2018年首次被華為應(yīng)用于Mate 20 X手機(jī)之后，逐漸被國內(nèi)主要手機(jī)品牌所應(yīng)用，特別是在旗艦機(jī)、游戲機(jī)上，還拓展應(yīng)用到平板上，未來有望成為主流散熱技術(shù)之一。

圖 石墨烯在手機(jī)的應(yīng)用案例

僅從近期一個(gè)月內(nèi)發(fā)布的新機(jī)來看，就已經(jīng)有7款手機(jī)采用石墨烯散熱方案，可見石墨烯散熱勢頭強(qiáng)勁，小米和華為甚至還投資了石墨烯企業(yè)，可見其看重。石墨烯到底有何神奇之處，竟能如此受到青睞？今天我們就來了解一下。

一、什么是石墨烯

石墨烯，英文名：Graphene，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)有研究者提出了石墨烯的概念，但僅為理論研究。直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov通過機(jī)械剝離法，利用特殊膠帶剝離高定向熱解石墨首次獲得了石墨烯，二人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖 石墨烯均熱片，來源：深圳烯材

1、石墨烯的導(dǎo)熱機(jī)理

石墨烯導(dǎo)熱主要通過晶格的振動(dòng)，晶格（聲子）通過晶體結(jié)構(gòu)單元的相互諧調(diào)制約和相互的聲子振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的熱量傳導(dǎo)。石墨烯具有高熱導(dǎo)率的原因，主要來源于碳原子間牢固的結(jié)合力、高度有序的排列組合和微晶尺寸比較大的晶格排列。

圖 石墨烯散熱膜的導(dǎo)熱機(jī)理，來源：武漢漢烯

石墨烯的熱導(dǎo)率主要由石墨烯聲子頻率、聲子自由程、聲子作用過程等因素決定，不同狀態(tài)下石墨烯的熱導(dǎo)率有所差別。純的無缺陷單層石墨烯熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/mK。

圖 不同形態(tài)石墨烯材料的熱導(dǎo)率

2、石墨烯的制備方法

發(fā)展至今，石墨烯的制備方法已經(jīng)有多種，但石墨烯的合成仍然是石墨烯研究中最關(guān)鍵的問題。根據(jù)碳源物相及合成環(huán)境，石墨烯的制備方法可分為固相法、液相法、氣相法。

1）固相法

• 機(jī)械剝離法

膠帶機(jī)械剝離高定向熱解石墨可以獲得高質(zhì)量石墨烯，該方法效率低且成本高。

• SiC外延法

在單晶SiC 上通過真空石墨化外延生長可獲得石墨烯。產(chǎn)品質(zhì)量高、層數(shù)可控，可制備大尺寸的石墨烯，但成本很高，且質(zhì)量、晶粒尺寸都略遜于機(jī)械剝離法。

• 打開CNT

將碳納米管（CNTs ）局部嵌入聚合物中，然后采用等離子刻蝕打開CNTs可得到石墨烯納米條帶（GNRs）。該方法可大量制備形貌規(guī)則、結(jié)構(gòu)可控、帶隙可調(diào)的GNRs。

2）液相法

• 氧化還原法
  

氧化還原法是一種常見的液相法制備石墨烯的方法，該方法成本低、產(chǎn)量高，但產(chǎn)物有缺陷。液相法制備的氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)溶液在水中可完全分散從而獲得幾乎獨(dú)立存在的GO層片的懸浮液。GO溶液可在多種表面上沉積成膜，激光還原和熱探針還原可得到還原氧化石墨烯薄膜。

• 直接溶劑剝離法

將石墨分散在N-甲基吡咯烷酮、乙酰二甲胺、γ-丁內(nèi)酯和1,3-二甲基-2-咪唑啉酮等溶劑中超聲剝離可獲得少層石墨烯。

• 單體組裝
  

前驅(qū)體分子耦合為線性對(duì)位聚苯后通過脫氫環(huán)化可以獲得原子級(jí)精度的GNRs。單體組裝獲得不同形貌的GNRs。

3）氣相法

化學(xué)氣相沉積(CVD)可以獲得大面積單層、雙層或多層石墨烯薄膜。以銅或鎳為基底，反應(yīng)溫度在800~1000 ℃，經(jīng)催化作用，碳原子沉積在基底表面，生成厚度可控的石墨烯。這種方法原材料選擇靈活，但生產(chǎn)效率較低，生長過程和后續(xù)轉(zhuǎn)移過程會(huì)在石墨烯中引入缺陷。

二、石墨烯散熱膜

石墨烯散熱膜是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成的高定向?qū)崮ぃＷo(hù)膜、單面膠、石墨烯膜、雙面膠和離型膜等。

圖源網(wǎng)絡(luò)

1、石墨烯散熱膜的優(yōu)點(diǎn)

1）高導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)到1200~1800W/m·K，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的金屬散熱材料如銅、鋁；

2）低熱阻，熱阻比鋁低40%，比銅低20%。

3）重量輕，重量比鋁輕 25%，比銅輕75%;

4）散熱石墨烯膜表面可以與金屬、塑膠、不干膠等其它材料組合，且根據(jù)實(shí)際形狀需要可對(duì)石墨導(dǎo)熱膜進(jìn)行切割裁剪。

2、石墨烯散熱膜的生產(chǎn)工藝

石墨烯散熱膜以天然鱗狀石墨為原料制備石墨烯漿料，經(jīng)過涂布、烘干后送入高溫爐進(jìn)行碳化、石墨化處理，后經(jīng)壓延、模切最終獲得。

圖 石墨烯散熱膜的主要生產(chǎn)工藝

目前國內(nèi)石墨烯散熱膜相關(guān)企業(yè)包括墨睿科技、深瑞墨烯、富烯科技、東莞鵬威、江蘇寶烯、深圳烯材、中科悅達(dá)、深圳稀導(dǎo)、星途(常州)、中石科技、武漢漢烯、江蘇斯迪克、安潔科技、宇航派蒙、道明光學(xué)、易成新能、平煤新型炭材等。

后續(xù)，我們將會(huì)為大家整理石墨烯散熱膜相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)名錄，歡迎大家留言補(bǔ)充，也可以掃描下方二維碼加入艾邦散熱&電磁屏蔽交流群與行業(yè)人士一起交流。

隨著電子設(shè)備朝著小型化、高功率密度、多功能化等方向發(fā)展，電子產(chǎn)品的迭代升級(jí)對(duì)于導(dǎo)熱散熱材料的性能提出更高的要求。過去僅依靠單一材料的散熱方案已逐漸無法滿足其高效率的散熱需求，新型材料+組合化、多元式的散熱材料方案逐漸成為市場主流。艾邦建有散熱材料交流群，歡迎掃碼加入：

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