石墨烯的应用前景-导热篇

石墨烯的应用前景—导热篇

一、石墨烯

石墨烯又称单层石墨，是一种二维纳米材料，是目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米级材料。自从2004年被科研工作者证明其可以稳定存在后，因其特殊纳米结构和优异的物理化学性能，被公认为21世纪的“革命性材料”。石墨烯在光学、电子学、磁学、生物医药学、催化剂、电池、超级电容器和传感器等领域应用前景深远，石墨烯相关专利和研究文献呈现爆发式增长。总体看来，石墨烯技术开始进入高速成长期，并大步向技术成熟期跨越。全球石墨烯技术研发布局竞争日趋激烈，各国的技术优势正在逐步形成。

新兴技术的发展离不开政策的支持与引导。在2010年石墨烯发现者获得诺贝尔奖以后，不仅全球科研界竞相关注，各国政府也加大了石墨烯研发的支持力度，希望在这新一轮石墨烯研究和产业化发展的竞争中抢占先机。在石墨烯大国中，欧盟成员国、美国、日本和韩国较先开展相关的战略部署，出台了各项支持政策和研究扶持计划，走在了全球石墨烯研究与产业化的前列。

全球针对石墨烯的研究都在进行，截至到2010年，全球共有8434份相关的研究论文，共来自79个国家和地区，排名前十的国家发表的文献量占总量的92.96%。美国在作为世界科学技术研究最发达的国家，其石墨烯研究方面的文献量达2683份，占总量的31.81%。我国在石墨烯研究文献发表量为1201份，占比14.24%，位居全球第二位。显示出了我国在石墨烯领域不居人后，积极布局的决心。

我国石墨矿储量占世界总储量的75%，产量占世界总产量的72%。同时，我

国是制造业大国。因此，我国对石墨烯的需求也比较强烈。目前，石墨烯的应用仍然处于由研发向产业化迈进的阶段。2014年12月20日，宁波年产300吨的石墨烯规模生产线正式落成投产；2014年12月25日，南江集团与中科院重庆绿色智能技术研究院合作的年产1000万片大面积单层石墨烯薄膜生产线也正式启动。此外，各地的石墨烯产业园区、产业联盟及创新基地也纷纷成立，从事石墨烯产业的企业已突破千家。根据外媒Newswire5月2号发布的最新消息，据Innova Research公司的最新调研，2015年中国石墨烯的市场规模约为610万美元，比2014年的140万美元增长超过336%。初步构建起以石墨烯原材料、研发、制备、应用为主体的产业链。东南沿海地区凭借其优越的地理位置、便利的交通条件以及雄厚的经济实力涌现出一批具有规模效应的石墨烯企业，其中长三角地区石墨烯产业化带尤为突出。预计，国内石墨烯产业规模将达万亿元。不过，虽然我国在石墨烯制备方面取得了突破，但石墨烯的应用仍然处于由研发向产业化迈进的阶段，万亿元的市场前景的确美好，但实现仍需要一个过程。

二、三维石墨烯

石墨烯由于片层间很强的π-π键相互作用和范德华力使它易于发生堆叠和团聚，往往限制了石墨烯优异性质的发挥。为了克服这个缺陷，一个可能的解决办法就是制备具有高电导率、大表面积、大孔隙率的三维结构石墨烯。树脂裂解制备三维石墨烯的方法，是利用经过处理的自掺杂树脂材料，经过镍做低温石墨化催化剂，再用高温烧结炉烧结烘干，制备得到三维石墨烯粉体材料。这种树脂裂解制备方法简单、稳定、高效解决了三维石墨烯的大规模生产问题。同时，用这一方法合成的三维多级孔自掺杂(氮、磷、硼等)类石墨烯材料具有其他碳材料包括商用石墨烯在内的碳材料不具备的性质，比如高比表面积、高导电性、自掺杂、

多级孔结构等。

石墨散热膜具有导电性、导热性、可塑性、化学稳定性、润滑性和能涂敷在固体表面良好的工艺性能，因此在电子、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。理论上这些性能均能被石墨烯替代，而且石墨烯的大部分性能更高于石墨，例如：石墨烯的理论导热率可高达3000~5000W/(m·K)，是普通石墨导热率（1800W/(m·K)）的2~3倍。三维石墨烯在制备过程中可以选择性的掺杂一些具有高导热效应的金属元素粒子。这些金属元素能够促进C 元素的石墨结构化减小某些非sp2杂化的石墨烯结构缺陷，并且其金属元素粒子本身具有高导热率，从而使得制备具有较高热导率的三维掺杂石墨烯膜成为可能。三维石墨烯散热膜极有希望成为一种具有广泛应用的新型高导热材料。三、石墨烯散热膜应用

石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，远高于金属中导热系数最高的金、银、铜、铝等，而且具有良好的柔韧性，同时石墨烯具备的超高导电性能提供的电磁屏蔽性能使得石墨烯散热膜具有更优异的价值。因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片导热性能强同时具备电磁屏蔽性能，具有巨大的应用前景。将纳米尺度的石墨烯制备成宏观的薄膜材料并保持其纳米效应，同时减少其和基底的界面接触热阻，是石墨烯在散热应用的重要途径。未来，石墨烯薄膜可作为柔性散热体材料，满足LED照明、计算机、智能手机、平板电脑、卫星电路、激光武器等高功率、高集成度系统的散热需求。

近年来，以智能手机、平板电脑、智能VR和可穿戴设备为代表的便携式设备增长迅速，其硬件速率越来越高，随之而来的高速运算单元的散热问题已经引起越来越多的关注。而且因为这些智能电子产品对重量和体积有着严格的要求，

所以急需一类导热高、密度小的传热材料。

手机和平板电脑被频繁使用和进行高速运算时，内部器件发热量急剧增大，尤其是内部的芯片、电池等。发热量急剧增大一方面会引起设备温度升高，造成手感不适；另一方面会导致设备的性能受到极大的影响，甚至是重启或死机进而可能引发危险。因此为了使得移动设备内部产生的热量能够很快地散发出去，设备制造商都选择给发热单元贴上石墨散热片，即石墨散热膜。

图1 iPhone7plus石墨散热片应用

CPU、GPU、Flash 芯片、内存条、电池主板和LED是很多移动设备的发热源，其上贴附一层石墨烯散热膜有助于芯片散热。同时，石墨烯的高导电性可以提供散热性能同时提供良好的电磁屏蔽能力，这时硅胶散热膜所不具备的。如图1芯片的封装层上贴附着一张石墨散热片，它的另一面会贴附在机身内中间的金属板上面。另外一块较大的石墨散热片贴附在金属板上，与对应位置的电池贴合，帮助电池散热。所以利用柔性的石墨散热膜连接需要散热单元和金属散热器使得手机能够均匀散热。