行業動態

隨著（zhe）科（kē）學技（jì）術的不斷發展, 各種（zhǒng）電子元器件日趨輕（qīng）型化,微型化（huà）, 高性能（néng）化, 在運行的過程中（zhōng）不可避（bì）免的會（huì）產生和（hé）累積大（dà）量的熱量, 如果（guǒ）熱量不能被及時導出, 過高的溫度會降（jiàng）低芯片的工作穩定性, 增加出錯率, 尤其是電子模塊（kuài）與外界環（huán）境之間的過大的溫度差會形成熱應力（lì）, 直接（jiē）影響到電子芯片的（de）電性能、 工作頻率、 機械強度以及可靠性。所以, 必須依靠性能優異的散（sàn）熱材料（liào）將器件所生成的熱量快速的散發出去。傳統的散熱材料主要依靠於金屬, 例如（rú）銀、 銅、 鋁等, 但是（shì）金屬材料的一些固有性質, 例（lì）如密度大、 耐（nài）腐蝕性差等已經嚴重的製約了其在散熱（rè）材料方（fāng）麵的應用。

1高導熱石墨烯薄膜可行性分析

炭材料由於其質輕、 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。Zhang 等[通過將 CVD 法製備的（de）碳納米管采用靜電紡（fǎng）絲法得到取向較高並且（qiě）密度較高的碳納米管薄膜, 其熱導率達（dá）到（dào） 766 W / mK。

而隨著石墨烯的發現, 越來越多的材（cái）料學家將注意力集（jí）中在這一充滿潛力的新興材料上。石（shí）墨烯是（shì）由單層碳原子以 sp2雜化形成的六元環平麵結構, 是一種理想（xiǎng）化的二（èr）維平麵材料。由於其特殊的二維晶體結構, 有著（zhe）很好的機（jī）械強度、 電子（zǐ）遷移率、 高比表麵積等特點。同時也有著很高的理論熱導率, 超過 6600 W/ mK, 是已知熱導率最高的材料。而且, Balandin 等（děng）利用（yòng）單層石墨（mò）烯（xī）的 G 峰的溫度依賴（lài）性和拉曼散射的激光（guāng）激發頻率的關係計算出懸（xuán）浮狀態下單（dān）層石墨烯的熱導率高達5300W/ mK, 遠遠高於石墨、 碳納（nà）米管等其（qí）他碳材料的熱導率。由於石墨烯在片層平麵內是各項同性的, 在平麵內的熱傳導不會存在方向性。因此將石墨烯用於導熱（rè）領域, 開發新型的（de）導熱薄膜是（shì）非常有必要（yào）, 也是最有可能實現的（de）。

氧化（huà）石墨烯（xī）由於在水中或者其它極（jí）性溶劑中具有良好的分散性, 所以被認為是良（liáng）好的石墨烯前驅體（tǐ）, 而且（qiě） Hummers 法製備的氧（yǎng）化石墨烯製備工藝成熟（shú）、 產量（liàng）大, 已經形成相應的工業化生產。所以在石墨烯導熱膜的尺度（dù）上, 還（hái）原氧化石（shí）墨烯（xī）薄膜成為近幾年主要的技術路線。

2 抽（chōu）濾法製備石墨烯（xī）薄膜

抽濾法（fǎ）由於其製備條件限製較少, 試驗方案（àn）成熟, 而且在製備碳納米管（guǎn）薄膜中應用較為廣（guǎng）泛。所以在石墨烯薄膜（mó）的性能研究（jiū）上, 抽濾法首先得到應用。而且, 由於抽濾法（fǎ）是通過（guò）濾瓶內外形成氣壓差的方式來排除（chú）溶劑、 形成（chéng）薄膜, 而 Hummers 法製備的氧（yǎng）化石墨烯成片層狀, 很容易在（zài）抽力的作用下緊密堆疊在一起, 所以製備的氧化石墨烯（xī）薄膜致密, 同時片層取向度（dù）較高, 在麵內熱導率的測量上有著（zhe）不俗的表現。

Song 等采用抽濾法, 將氧化石墨烯分散液抽濾成膜, 在氮氣氣（qì）氛下升溫到 400 ℃ 保溫 0. 5 h, 再分別升（shēng）溫到 800, 900, 1000, 1100, 1200 ℃ , 再采用激光閃射儀（yí）測得石墨（mò）烯薄膜的熱擴（kuò）散（sàn）係數, 通過

K =αCpρ算得（dé）導熱膜得熱導率最高為1043. 5 W / mK。Kumar 等將氧（yǎng）化石墨烯片層通過離（lí）心分（fèn）離出大片層和小片層, 分別抽濾成（chéng）膜, 成膜後（hòu）用 HI 進行（háng）還原, 有效的避免了（le）因高溫還原氧化石墨烯多帶來的（de）環（huán）境問題、 能耗問題。最後通過激光閃射儀測算得（dé）大片層石墨烯薄膜的熱導率（lǜ）最高達（dá）到 1390 W / mK。

抽濾法由於操作成熟（shú）簡單, 成（chéng）為製作石墨烯薄膜得主要方法, 但是（shì）由於其耗時長( 通常製備 10 μm 的氧化石墨烯薄膜需花費兩天以上), 石墨烯薄膜得尺寸（cùn）受製於濾膜尺寸等（děng）缺點,越來越多得材料學家采用新的方法製備大尺寸氧化石墨烯薄膜, 再經過（guò）相應還原處理, 製備到高（gāo）導熱石墨烯薄膜（mó）。

3其他方法製備氧化石（shí）墨烯薄膜

通過研（yán）究發現, 氧化石墨烯分（fèn）散液在較高溫度條件下進行蒸發作用, 氧化（huà）石墨烯片層會在氣- 液界麵成（chéng）膜, 所以 Shen等將氧化石墨烯分散（sàn）液置入聚四氟乙烯表麵皿中, 在80 ℃的條件下進行表麵蒸發自組裝成膜, 製備了大尺寸的薄膜, 經過石墨（mò）化後得到墨烯導熱膜, 石墨化後薄膜（mó）的厚度隻有2. 7 μm, 其熱導率在 1100 W / mK。Huang 等將銅箔置於石墨烯分散液（yè）中, 進行蒸發自組裝成膜, 再將銅箔和氧化（huà）石墨烯薄膜一起（qǐ）進行熱壓還原, 再將石墨烯薄膜從銅箔中分離（lí）下來, 製得的石墨烯薄膜的熱導率在 1219 W / mK。

與此同時, 其他得成（chéng）膜方法（fǎ）也在研究人員得開發中不斷得到驗證。

浙（zhè）江大學得 Liu 等采用濕（shī）法紡絲（sī）得方法, 將氧化（huà）石墨烯在氣流得作用下製備氧化石墨（mò）烯（xī）帶, 在形成得（dé）過（guò）程（chéng）中（zhōng）對石墨烯片層得取向進（jìn）行（háng）控製, 能夠獲得（dé）連續的石墨烯薄膜, 其石墨烯橫截麵內片層取向統（tǒng）一度和抽濾法（fǎ）得到的石墨烯膜相似, 具有極大的工業化應用（yòng）潛力。再經過化學還原得到石墨烯薄膜的（de）熱導率在 810 W / mK。

Xin 等利用靜（jìng）電噴塗沉積的方法, 將氧化石墨烯噴塗（tú）在鋁（lǚ）箔基底上, 利用氧化石墨烯分散液和鋁箔本身得親水性不同, 將氧化（huà）石墨烯薄膜連（lián）同（tóng）鋁箔放入水中, 經過基底脫除、 製成厚度、 尺度可控（kòng）的均勻（yún）薄膜, 碳化還原後, 石墨烯薄膜（mó）的熱導率達（dá）到 1238 W / mK。

4氧化石墨（mò）烯薄膜存在的相應（yīng）問題

雖然單層的（de）石墨烯完美晶體有（yǒu）著非常好的導熱性能, 但是（shì）要到應用階段就必須對石墨烯（xī）進行從納米片層到微米薄膜的（de）組裝。要想（xiǎng）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（báo）膜二維平麵方向的熱導率; (2) 石墨烯片層（céng）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（de）密（mì）度（dù）, 從而降（jiàng）低石墨烯導（dǎo）熱膜的整體傳熱效（xiào）率。很多研發團隊目前著（zhe）力於解決石墨（mò）烯（xī）組裝的取向度問題, 包括使用靜電噴塗（tú）、 抽濾等（děng）製作薄膜的工藝來提高片（piàn）層的取（qǔ）向度。這些製（zhì）膜工藝上的改進確實能（néng）很大程度地提高石墨烯薄膜的麵內熱導率, 但是（shì）這些方法（fǎ）沒有從根本上解決解決石墨烯薄膜在組（zǔ）裝時片層間的空隙問題。

石（shí）墨烯薄膜的（de）層間空隙較大, 對於其熱導率的提高有很大的阻礙（ài）作用, 如果能夠（gòu）對（duì）這些（xiē）間隙能夠有效填充, 那麽就會極大（dà）的（de）提高薄膜的熱導率。Hsieh 等先將（jiāng）氧化石墨（mò）烯在 400 ℃加熱（rè） 1 h 的條件下進行還原, 再將通過 CVD 法製備的碳（tàn）納米管和（hé）還原氧化石墨烯加入高（gāo）速（sù）攪（jiǎo）拌器（qì）中, 進行機械混（hún）合, 再經過壓縮處理所製成的散熱片, 熱導率在能夠高達 1900 W / mK, 已經極大的接近了石（shí）墨薄膜的理論熱導率(2000 W / mK)。這說明, 在以後的研究中, 如何將氧化石墨烯片層間和（hé）片層內的空隙（xì）進行有效（xiào）填充（chōng）, 才是提高石墨烯薄膜熱導率的有效途徑。