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柔性电子设备的散热好帮手:石墨烯导热纸
2022年06月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:68
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柔性电子技术是当今最令人激动和最有前景的信息技术之一,受到学术界和工业界的广泛关注。柔性电子具有优异的灵活性、柔软性以及延展性,可保证电子产品在弯曲、折叠、卷曲、压缩、拉伸等状态下正常运行。基于上述性质,其应用体现在人类生活的很多方面,如电子皮肤、可穿戴设备、照明、显示以及光伏建筑一体化等。但随着功率电子器件处理功率越来越大,其高效散热成为日益突出的问题,基于此,近几年出现了一种柔性自支撑石墨烯导热纸材料,具有由微小的石墨烯片构成的层状结构,具有较高的面内热导率和良好的机械性能,是针对柔性电子器件的有效解决方案。

石墨烯导热纸

石墨烯导热纸

一、石墨烯导热纸的特性

石墨烯热导率高达 5300 W/(m·K),是非常好的导热材料,单层石墨烯尺寸仅为几个微米,厚度为一个或几个原子层,作为实际导热材料应用需要将这种微小的石墨烯片复合成石墨烯导热纸。石墨烯导热纸由微小石墨烯片层叠搭接而形成微观层状结构,是具有良好导电性和机械性能的柔性自支撑材料。

由于石墨烯导热纸具有这种特殊的层状结构,层与层之间仅通过范德华力相互耦合,纵向上通过低频声子导热,导致了石墨烯导热纸的热传导各向异性,面内热导率比垂直热导率高3-4个数量级。石墨烯片尺寸、层数、缺陷,混合其它物质以及导热纸结构、厚度等均会对石墨烯导热纸的热导率产生重要影响。

石墨烯导热纸横截面微观结构示意图

石墨烯导热纸横截面微观结构示意图

二、石墨烯导热纸的制备

目前石墨烯导热纸采用的原材料多为液相氧化法制备的氧化石墨烯粉,这些粉体在微观上是尺寸为几百纳米到几十微米的微小薄片,石墨烯表面和边缘被羟基、羧基、羰基、环氧基等基团修饰。将氧化石墨烯制成石墨烯导热纸还需要进行还原处理,分别有前还原法和后还原法。

1.前还原法

前还原法是在氧化石墨烯的混合溶液中加入液态还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯,常见的还原剂有肼、氢碘酸、维他命C等。由于石墨烯不亲水,为获得稳定的石墨烯分散液,还原过程通常在特殊有机溶剂或在掺有分散剂的水中进行,最后制备成石墨烯导热纸。

氧化石墨烯具有的含氧基团使其具有良好的亲水性,通过超声或磁力搅拌的方法即可获得氧化石墨烯的水分散液。

将氧化石墨烯分散液还原成石墨烯

将氧化石墨烯分散液还原成石墨烯

2.后还原法

后还原法是先将氧化石墨烯分散液制备成氧化石墨烯纸,再利用高温退火等方法将氧化石墨烯纸还原。由于氧化石墨烯易于分散,在水中就可以获得稳定的氧化石墨烯分散液,在材料制备和杂质控制方面更具有优势,因此后还原法是目前石墨烯导热纸制备中的主要还原方法

将石墨烯(或氧化石墨烯)分散液制成纸的方法主要有真空抽滤、蒸发等自组织生长法,以及喷涂、刮涂等涂覆方法。其中,真空抽滤法具有定向流驱动力,能够形成比较致密、均匀的微观层状结构;蒸发法是将石墨烯(或氧化石墨烯)分散液倒入特定的基底上,在较温和的温度下蒸发干燥一定的时间,最后得到自支撑的石墨烯(或氧化石墨烯)纸,蒸发法能够制备比真空抽滤法更大面积的材料

涂敷方法则能够进一步增加石墨烯(或氧化石墨烯)纸的面积。

蒸发法制备石墨烯纸

蒸发法制备石墨烯纸

三、影响石墨烯纸热导率的因素

根据对石墨烯热导率的理论和实验研究,研究人员分别从石墨烯片尺寸、退火温度、导热纸厚度、混合其他物质几个方面提升石墨烯纸的热导率。

几种因素对石墨烯纸热导率的影响如下:


四、石墨烯纸在热管理领域的应用

虽然石墨烯纸的研究历史并不长,但目前已发明了多种石墨烯纸的大面积快速制备方法,石墨烯纸也表现出高面内热导率、良好的柔性和机械性能、低电阻率等一系列优良特性,赋予石墨烯纸良好的应用前景。

石墨烯纸在以下领域具有应用优势:

(1)作为热界面材料:将石墨烯纸用于芯片、高功率LED、电池的界面散热材料,能明显降低这些器件的工作温度;

(2)作为电磁屏蔽材料:将石墨烯纸用于电子封装能够降低整个电路系统的温度,同时具有电磁屏蔽功能,保证电路系统不受电磁干扰;

(3)应用形状灵活:石墨烯纸所具有的柔性、大面积、机械强度高等特点使其特别适用于大面积铺贴和剪裁,例如,将石墨烯纸覆于空间站伴随模块卫星内表面增加甲板导热正在被我国科研人员论证;

(4)应用于个人身体热管理:石墨烯纸对人体的散热能力显著高于传统棉花织物,而且石墨烯纸具有快速电-热响应,2.5V电压即可满足人体对正常热量的需求;

石墨烯智能服饰

石墨烯智能服饰

目前已证明石墨烯纸对器件/电路、封装及发热体散热上的显著优势,市场上也出现了手机、电脑等个人电子产品用的石墨烯纸散热片。可以展望,随着热管理要求的不断提高,石墨烯纸在电子、航空、航天、舰船、车辆、日常用品上将获得广阔的应用。


参考来源:

1. 石墨烯导热纸研究进展,王兰喜、何延春、王虎、吴春华、李林(材料导报);

2. 导热纸(膜)的研究进展,贾程瑛、刘文、朱阳阳、朱晶航、史贺、季剑锋、李鸿凯(中国造纸);

3. 氧化石墨烯的制备方法、结构、性质及应用研究进展,张笑娟、魏琦峰、任秀莲(应用化工)。


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