上海微系統(tǒng)所研究新進(jìn)展，為高性能石墨烯導(dǎo)熱膜制備提供新思路
核心提示：隨著石墨烯導(dǎo)熱膜兼具高導(dǎo)熱性和超柔性材料的問世，在觸控屏、太陽能電池、發(fā)光板、光電器件、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛，石
隨著石墨烯導(dǎo)熱膜兼具高導(dǎo)熱性和超柔性材料的問世，在觸控屏、太陽能電池、發(fā)光板、光電器件、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛，石墨烯導(dǎo)熱膜逐漸成為電子器件和系統(tǒng)重要的熱管理材料。近日，上海微系統(tǒng)所在石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)方面的研究取得進(jìn)展。
一、電子設(shè)備散熱需求的崛起
隨著 5G 通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備的性能不斷提升，但散熱問題日益凸顯。自 20 世紀(jì) 60 年代以來，集成芯片行業(yè)遵循摩爾定律追求卓越性能，這對熱管理提出了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在便攜式電子系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的散熱材料，如氧化鋁或銅，已難以應(yīng)對局部熱點(diǎn)冷卻的高要求，而且在便攜性和靈活性方面存在明顯不足。
二、石墨烯的發(fā)現(xiàn)與特性
2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆教授成功從石墨薄片中剝離出石墨烯，這一重大發(fā)現(xiàn)為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的曙光。石墨烯被譽(yù)為“黑金”和“新材料之王”，其具有極其出色的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性。
石墨烯是世界上最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)、延展性最好的新型納米材料。其優(yōu)異的性能使其在材料學(xué)、微納加工、儲能、傳感器、電子信息、智能穿戴、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，被視為引領(lǐng)未來的革命性材料。
三、石墨烯導(dǎo)熱膜的優(yōu)勢與作用
石墨烯因其卓越的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，成為極具潛力的散熱和電磁屏蔽材料，備受關(guān)注。在電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、平板電腦和路由器，隨著運(yùn)行速度的加快，芯片產(chǎn)生的熱量急劇增加。若不能及時散熱，芯片性能將受影響，甚至可能損壞。而石墨烯的超高導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，其熱導(dǎo)率約是銅的近 3 倍，能有效地幫助芯片散熱，確保其發(fā)揮最佳性能。
四、石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究的進(jìn)展
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室丁古巧團(tuán)隊(duì)在石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究方面取得了重要突破。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜的熱導(dǎo)率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸密切相關(guān)。通常，大尺寸原料有利于提升導(dǎo)熱性能，因?yàn)槠瑢訖M向尺寸越大，膜中片層間的界面越少，越利于熱傳輸。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備面臨諸多難題，如技術(shù)挑戰(zhàn)、制備過程繁瑣、低產(chǎn)率和高成本等。同時，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產(chǎn)生氣體的逸出抑制作用更顯著，導(dǎo)致導(dǎo)熱膜出現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)缺陷。
為了消除原料片層厚度等參數(shù)的影響，研究團(tuán)隊(duì)從同一氧化石墨原料出發(fā)，采用機(jī)械剪切方式制備了 11 組平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度的氧化石墨烯。通過完全一致的工藝組裝制備石墨烯導(dǎo)熱膜，并分為大尺寸、常規(guī)尺寸和超小尺寸三類。
在亞微米尺寸范圍內(nèi)，石墨烯導(dǎo)熱膜的橫向熱導(dǎo)率與氧化石墨烯原料橫向尺寸呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即負(fù)尺寸效應(yīng)，這與微米范圍內(nèi)的規(guī)律相反。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過程更利于氣體排出，減少缺陷產(chǎn)生，且小晶粒易于融合和長大。這意味著選擇亞微米超小尺寸氧化石墨烯是制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜的關(guān)鍵策略，而且其規(guī)?；苽潆y度和成本更低。
基于上述成果，團(tuán)隊(duì)以超小尺寸氧化石墨烯為原料，實(shí)現(xiàn)了出色的橫向熱導(dǎo)率，超過了此前文獻(xiàn)報(bào)道的水平，與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜相近，且縱向熱導(dǎo)率更高。在實(shí)際應(yīng)用中，裝載石墨烯導(dǎo)熱膜后，芯片表面溫度顯著降低，最大降溫幅度達(dá) 21.2℃，溫度分布更加均勻，能很好地滿足電子器件的熱管理需求。
這項(xiàng)研究為制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜提供了全新的思路，也為提升其縱向?qū)嵝阅苤该髁朔较?。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，相信石墨烯導(dǎo)熱膜將在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動電子行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。同時，國家自然科學(xué)基金等的支持為相關(guān)研究提供了有力保障，期待未來能有更多創(chuàng)新成果涌現(xiàn)，為解決散熱等關(guān)鍵問題提供更優(yōu)方案。
五、石墨烯導(dǎo)熱膜在電子設(shè)備中的應(yīng)用前景
隨著 5G 時代及電子技術(shù)發(fā)展，電子產(chǎn)品向輕薄化、高集成、高分辨率演進(jìn)，散熱需求劇增。石墨烯導(dǎo)熱膜作為新型高導(dǎo)熱材料，能滿足此需求，已在 3C 數(shù)碼產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。如華為率先用于 Mate 20 X 手機(jī)，隨后眾多廠商跟進(jìn)。中國信通院數(shù)據(jù)顯示，2021 年 5G 手機(jī)出貨量大幅增長，其帶動石墨烯導(dǎo)熱膜市場滲透率提升。
因其柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，未來技術(shù)成熟后需求量有望增長。
據(jù)預(yù)測，2025 年全球 5G 手機(jī)石墨烯導(dǎo)熱膜市場規(guī)模有望達(dá) 26.4 億元，4G 手機(jī)市場規(guī)模有望達(dá) 3.6 億元，智能手機(jī)領(lǐng)域合計(jì)有望達(dá) 30 億元。
此外，在平板電腦、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域也前景良好。在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、雷達(dá)等因減重采用桁架結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)熱能力要求極高，石墨烯導(dǎo)熱膜的高導(dǎo)熱率和良好力學(xué)性能等綜合優(yōu)勢可滿足特殊要求。
從發(fā)展趨勢看，隨著成本降低、產(chǎn)能釋放及技術(shù)進(jìn)步，石墨烯導(dǎo)熱膜有望成為主流散熱技術(shù)，推動電子行業(yè)發(fā)展。相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正加大研發(fā)投入，提升其在各領(lǐng)域的滲透率，拓展應(yīng)用場景。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551643.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。
一、電子設(shè)備散熱需求的崛起
隨著 5G 通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備的性能不斷提升，但散熱問題日益凸顯。自 20 世紀(jì) 60 年代以來，集成芯片行業(yè)遵循摩爾定律追求卓越性能，這對熱管理提出了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在便攜式電子系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的散熱材料，如氧化鋁或銅，已難以應(yīng)對局部熱點(diǎn)冷卻的高要求，而且在便攜性和靈活性方面存在明顯不足。
二、石墨烯的發(fā)現(xiàn)與特性
2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆教授成功從石墨薄片中剝離出石墨烯，這一重大發(fā)現(xiàn)為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的曙光。石墨烯被譽(yù)為“黑金”和“新材料之王”，其具有極其出色的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性。
石墨烯是世界上最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)、延展性最好的新型納米材料。其優(yōu)異的性能使其在材料學(xué)、微納加工、儲能、傳感器、電子信息、智能穿戴、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，被視為引領(lǐng)未來的革命性材料。
三、石墨烯導(dǎo)熱膜的優(yōu)勢與作用
石墨烯因其卓越的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，成為極具潛力的散熱和電磁屏蔽材料，備受關(guān)注。在電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、平板電腦和路由器，隨著運(yùn)行速度的加快，芯片產(chǎn)生的熱量急劇增加。若不能及時散熱，芯片性能將受影響，甚至可能損壞。而石墨烯的超高導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，其熱導(dǎo)率約是銅的近 3 倍，能有效地幫助芯片散熱，確保其發(fā)揮最佳性能。
四、石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究的進(jìn)展
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室丁古巧團(tuán)隊(duì)在石墨烯導(dǎo)熱膜尺寸效應(yīng)研究方面取得了重要突破。
研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜的熱導(dǎo)率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸密切相關(guān)。通常，大尺寸原料有利于提升導(dǎo)熱性能，因?yàn)槠瑢訖M向尺寸越大，膜中片層間的界面越少，越利于熱傳輸。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備面臨諸多難題，如技術(shù)挑戰(zhàn)、制備過程繁瑣、低產(chǎn)率和高成本等。同時，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產(chǎn)生氣體的逸出抑制作用更顯著，導(dǎo)致導(dǎo)熱膜出現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)缺陷。
為了消除原料片層厚度等參數(shù)的影響，研究團(tuán)隊(duì)從同一氧化石墨原料出發(fā)，采用機(jī)械剪切方式制備了 11 組平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度的氧化石墨烯。通過完全一致的工藝組裝制備石墨烯導(dǎo)熱膜，并分為大尺寸、常規(guī)尺寸和超小尺寸三類。
在亞微米尺寸范圍內(nèi)，石墨烯導(dǎo)熱膜的橫向熱導(dǎo)率與氧化石墨烯原料橫向尺寸呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即負(fù)尺寸效應(yīng)，這與微米范圍內(nèi)的規(guī)律相反。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過程更利于氣體排出，減少缺陷產(chǎn)生，且小晶粒易于融合和長大。這意味著選擇亞微米超小尺寸氧化石墨烯是制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜的關(guān)鍵策略，而且其規(guī)?；苽潆y度和成本更低。
基于上述成果，團(tuán)隊(duì)以超小尺寸氧化石墨烯為原料，實(shí)現(xiàn)了出色的橫向熱導(dǎo)率，超過了此前文獻(xiàn)報(bào)道的水平，與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜相近，且縱向熱導(dǎo)率更高。在實(shí)際應(yīng)用中，裝載石墨烯導(dǎo)熱膜后，芯片表面溫度顯著降低，最大降溫幅度達(dá) 21.2℃，溫度分布更加均勻，能很好地滿足電子器件的熱管理需求。
這項(xiàng)研究為制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜提供了全新的思路，也為提升其縱向?qū)嵝阅苤该髁朔较?。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，相信石墨烯導(dǎo)熱膜將在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動電子行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。同時，國家自然科學(xué)基金等的支持為相關(guān)研究提供了有力保障，期待未來能有更多創(chuàng)新成果涌現(xiàn)，為解決散熱等關(guān)鍵問題提供更優(yōu)方案。
五、石墨烯導(dǎo)熱膜在電子設(shè)備中的應(yīng)用前景
隨著 5G 時代及電子技術(shù)發(fā)展，電子產(chǎn)品向輕薄化、高集成、高分辨率演進(jìn)，散熱需求劇增。石墨烯導(dǎo)熱膜作為新型高導(dǎo)熱材料，能滿足此需求，已在 3C 數(shù)碼產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。如華為率先用于 Mate 20 X 手機(jī)，隨后眾多廠商跟進(jìn)。中國信通院數(shù)據(jù)顯示，2021 年 5G 手機(jī)出貨量大幅增長，其帶動石墨烯導(dǎo)熱膜市場滲透率提升。
因其柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，未來技術(shù)成熟后需求量有望增長。
據(jù)預(yù)測，2025 年全球 5G 手機(jī)石墨烯導(dǎo)熱膜市場規(guī)模有望達(dá) 26.4 億元，4G 手機(jī)市場規(guī)模有望達(dá) 3.6 億元，智能手機(jī)領(lǐng)域合計(jì)有望達(dá) 30 億元。
此外，在平板電腦、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域也前景良好。在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、雷達(dá)等因減重采用桁架結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)熱能力要求極高，石墨烯導(dǎo)熱膜的高導(dǎo)熱率和良好力學(xué)性能等綜合優(yōu)勢可滿足特殊要求。
從發(fā)展趨勢看，隨著成本降低、產(chǎn)能釋放及技術(shù)進(jìn)步，石墨烯導(dǎo)熱膜有望成為主流散熱技術(shù)，推動電子行業(yè)發(fā)展。相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正加大研發(fā)投入，提升其在各領(lǐng)域的滲透率，拓展應(yīng)用場景。
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