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Carbon:浙江大學高超教授團隊實現石墨烯導熱膜的快速連續化制備

研究背景:

隨著微電子集成與組裝技術的飛速發展以及高功率密度器件的集成使用,發熱量和耗散功率密度變得越來越大,嚴重影響電子元器件的穩定性和使用壽命,因此散熱問題變得極其重要。傳統的導熱材料以主要以金屬薄膜、石墨壓延膜、碳化聚酰亞胺膜等為主。金屬薄膜存在質量重、易腐蝕、導熱率不高等缺點,而石墨壓延膜和碳化聚酰亞胺膜質脆,使用過程中易掉粉,不適用于結構復雜的、潔凈度要求高的精密儀器管理領域。另一方面,傳統的碳化聚酰亞胺膜通常是采用間歇式作業生產,石墨化過程需要消耗大量的時間(加熱時間至少6~10 h,冷卻時間至少10 h)和能源(實驗爐能耗至少50~70 KW/h)。

石墨烯膜是一種新型的導熱、散熱材料,面內熱導率高,同時具有低密度、低熱膨脹系數、良好機械性能等優異特性,成為新興散熱材料的焦點。例如美國倫斯勒理工學院Jie Lian研究小組最先報道了導熱率為1434 W/mK的石墨烯導熱膜;浙江大學高超教授課題組采用超大片石墨烯作為結構單元,石墨烯薄膜的導熱率高達2000 W/mK。為了提高石墨烯膜的導熱率,通常需要采用耗時耗能的高溫石墨爐進行燒結,這大大增加了石墨烯導熱膜的成本。因此急需發展新的熱處理技術,提高石墨烯導熱膜的制備效率,降低制備成本。

本文亮點:

(1)???設計了基于輥對輥的連續化電熱熱處理裝置;

(2)???實現了石墨烯導熱膜的快速連續化制備;

(3)???為低成本、高效率制備石墨烯導熱膜提供了新的解決方案。

圖文導讀:

近日,浙江大學高超(共同通訊)、許震(共同通訊)團隊在前期工作的基礎和對前人工作的學習借鑒上,提出連續化電焦耳熱還原策略,設計并制備了基于輥對輥的電熱裝置,實現了石墨烯導熱膜的快速連續化制備,整個制備過程僅用時1 h,能耗低于3 KW。所制備的石墨烯薄膜結構均勻,取向性好,并且導熱率達1285 W/mK,導電率達4.2×105 S/m。將制備的石墨烯導熱膜用于LED燈的熱管理,可以顯著降低LED燈背板的溫度,這對于提高LED燈的安全性能和延長使用壽命具有重要意義。

Carbon:浙江大學高超教授團隊實現石墨烯導熱膜的快速連續化制備

圖一:a)連續電熱示意圖,(b)連續電熱裝置,(c)石墨烯膜電熱過程中的照片,(d)不同溫度的光譜圖,(e)所制備的柔性石墨烯導熱膜。

Carbon:浙江大學高超教授團隊實現石墨烯導熱膜的快速連續化制備

圖二:a-c)石墨烯膜的表面形貌,(d-f)石墨烯膜的斷面形貌,(g)連續輥壓的電熱處理石墨烯膜的SAXS圖案,(h),未輥壓的石墨烯膜的SAXS圖案(iSAXS方位角積分曲線,(j)石墨烯膜的力學性能。

Carbon:浙江大學高超教授團隊實現石墨烯導熱膜的快速連續化制備

圖三:a-d)不同電熱溫度熱處理石墨烯膜的XPSa,b)、XRDcRamand)表征,(e)石墨烯膜不同位置的拉曼光譜,間隔距離為1cm,(f)石墨烯膜電阻與測試長度的關系,表明制備的石墨烯膜宏觀尺寸均勻,(g-i)石墨烯膜的拉曼成像掃描,證明石墨烯膜微觀尺寸結構均勻。

Carbon:浙江大學高超教授團隊實現石墨烯導熱膜的快速連續化制備

圖四:(a)紅外熱像儀測試石墨烯膜導熱率,(b)不同輸入功率下石墨烯膜的溫度分布曲線,(c)測試過程中石墨烯膜中點和端點溫度差與輸入功率的關系曲線,(d)商用LED燈,(e)商用LED燈的紅外熱像照片,(fLED燈背板貼合石墨烯膜之后的紅外熱像照片,(g)使用石墨烯膜前后LED燈的溫度與工作時間的關系。

這一成果的取得也得益于高超團隊之前的積累和對前人工作的學習借鑒。早在2011年,該研究團隊就發現了氧化石墨烯液晶性,并利用液晶進行連續化紡膜,進一步的制備了高柔性高導熱石墨烯膜。相關工作包括(Chem. Mater.,?2014,?26,67-86.;?Acc. Chem. Res.,?2014,47(4), 1267-1276.;?Chem.Rev., 2015,115(15),7046?7117.;?Adv.Mater., 2017,1700589.)。

該成果以“Rapid roll-to-rollproduction of graphene film using intensive Joule heating”為題發表在Carbon?(Carbon, 2019, 155,462-468)上,論文的第一作者為高超團隊的博士后劉英軍。論文得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金等相關經費的資助。

文獻鏈接:?https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.09.021

本文來自納米高分子高超課題組,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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