在智能手机向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下，为了应对处理器算力快速提升，整机功耗急剧增加，但产品内部散热空间却越来越狭小的困境，近几年，智能手机的散热技术不断更迭优化，出现多样化的散热方案。其中石墨烯散热膜自2018年首次被华为应用于Mate 20 X手机之后，国内智能手机的散热膜应用逐渐从石墨膜渐趋向于石墨烯膜，特别是在旗舰机、游戏机上，石墨烯膜市场逐渐白热化，并逐步成为主流散热技术之一。

图源：网络

为什么应用逐渐从石墨膜渐趋向于石墨烯膜？

在石墨烯散热膜逐渐成为热门散热材料之前，主流电子散热材料主要是石墨散热膜，这两者同为碳系导热材料，但在制备工艺和性能上还是有所差异，而手机厂商纷纷布局石墨烯膜，也是因为它在这两个方面有着明显优势。

石墨烯在散热膜领域中的市场规模（来源：中信证券）

1、原材料资源自主可控，成本低

高导热石墨膜早在2011 年就开始大规模应用于智能手机，之后一直是智能手机散热的标配。为了利用石墨结构的超高平面热导率，高导热石墨膜主要采用PI类薄膜碳化-石墨化法的技术路线制备，即将聚酰亚胺(PI)在惰性气氛下加压碳化、经2800-3200℃的石墨化处理，再延压至一定薄度制得。因为该技术路线中需要以高质量的聚酰亚胺薄膜为原材料，而其研发生产具有较高的技术壁垒，目前主要由美国杜邦、日本宇部兴产、日本钟渊化学和韩国SKPI等厂商垄断，占据全球80%以上的市场份额，价格普遍偏高（约为65万元/吨），所以业界一直希望能够找到其它替代方案解决原材料受技术封锁的问题。

石墨膜产业链（来源：雪域资本）

高导热石墨烯膜的规模化制备则一般使用氧化石墨烯作为前驱体，通过超声分散形成均匀分布的GO水溶液后，经真空抽滤、湿法纺丝、蒸发、刮涂等方法制备出氧化石墨烯薄膜，再利用还原剂将其还原制得。由于其原材料氧化石墨烯为石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，相较聚酰亚胺(PI)薄膜，制备较为容易，成本较低（约为18-20万元/吨），因此石墨烯散热膜是我国摆脱对人工石墨散热膜原材料聚酰亚胺膜进口依赖，也是消除国际贸易对散热膜产品影响的重要途径。

还原氧化石墨烯法生产石墨烯散热膜工艺流程（来源：富烯科技）

2、石墨膜散热效能的提升空间已较小。

尽管相对于其他技术路线制备的石墨散热膜，PI类薄膜碳化-石墨化法在机械拉伸强度、结构完整性、晶型结构缺陷和碳原子有序程度等方面表现较为出色，但由于受到聚酰亚胺分子取向度的限制，该方法仅在薄膜较薄时才能实现较高的热导率700-1950W/（m·K）。因此，人工石墨膜的厚度相对较小（25~60μm），且散热效能的进一步提升空间有限。

石墨烯和石墨的结构区别：石墨烯是石墨的单层结构，石墨烯的二维结构限制了散射中的维度，导热性更好

相比之下，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜实际热导率虽也已经达到1500-2000W/（m·K），但石墨烯散热膜的散热性能理论值可达5300W/（m·K），散热效能的提升空间还有很大，随着研究攻关的推进，石墨烯散热膜的实际散热效能还将进一步提升。同时，由于石墨烯膜是通过有序堆叠氧化石墨烯 (GO) 纳米片以及随后的还原/石墨化来获得的，结构完整有序，热导率受厚度影响较小，因此其厚度在大范围内（10-300μm）可调，厚度较小的石墨烯膜可以适应智能手机内较小的散热空间，而在一些缝隙较大的机型上，厚度较大的石墨烯膜不仅可以更好地填满手机与机壳之间的缝隙，减小热阻，还可以扩大平面内导热通量。此外，在机械拉伸强度上，石墨烯薄膜也有极大的优势，几乎是石墨薄膜三倍，高达70mPa。

石墨烯膜未来该往什么方向突破？

目前石墨烯散热膜的制备仍有很多关键技术亟待突破，例如大片径氧化石墨烯批量合成技术、石墨烯微观缺陷修复技术、超厚氧化石墨烯膜快速组装技术等。

1、大片径、高单层率氧化石墨烯批量合成技术

氧化石墨烯的高定向自组装是实现石墨烯膜高导热性能的核心，而要实现氧化石墨烯的高定向自组装，则要求氧化石墨烯微片单层率超过90%，目前高单层率氧化石墨烯的制备面临着氧化成本高、易团聚的难题。除此之外，为了减少界面散射的发生，需要尽可能制备出大片径的单层石墨烯，但大片径石墨烯的制备需要大片径氧化石墨烯作为原材料，因此，亟待发展横向尺寸在几十微米、甚至几百微米的大尺寸石墨烯材料规模化高效可控制备技术。

石墨烯微观结构

2、石墨烯微观缺陷修复技术

石墨烯中在制备、组装和后处理过程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能团等）也会使声子散射，限制了单层石墨烯在尺寸作用下热导率的增长，石墨烯中在制备、组装和后处理过程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能团等）也会使声子散射，因此，要提高石墨烯材料的导热性能，需要尽最大可能修复石墨烯材料微观结构的缺陷，制备出石墨烯片排列有序、片间接触紧密、结构缺陷少的石墨烯薄膜，增大声子的平均自由程，从而提高热导率。

石墨烯晶格中可能存在的缺陷（右）

3、超厚氧化石墨烯快速组装技术

由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案除了要求散热膜具有较高的热导率，还有必要提升散热膜的厚度，从而提高平面方向的导热通量。而要提高散热膜的厚度，依赖于超厚氧化石墨烯的组装，如何在组装过程中实现氧化石墨烯的规整堆叠和较窄的片层间距，以确保性能的稳定性和可控性，是目前一个具有挑战性的问题。

GO纳米片组装过程

参考来源：

1、林少锋,石刚,江大志.石墨烯材料在热管理领域的应用进展[J].科技导报.

2、曹坤,王菁潇,董承卫等.石墨烯基导热薄膜的研究进展[J/OL].材料科学与工艺.

3、Yu Zhang,Shijun Wang,Pingping Tang,Zhenfang Zhao, Zhiping Xu, Zhong-Zhen Yu,and Hao-Bin Zhang，Realizing Spontaneously Regular Stacking of Pristine Graphene Oxide by a Chemical- Structure-Engineering Strategy for Mechanically Strong Macroscopic Films.

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