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可折成千纸鹤的石墨烯薄膜
发布时间:2018-10-19

      石墨烯由蜂窝状晶格中的一层共轭碳原子组成。低原子质量强键合力较低的非谐性赋予了石墨烯突出的导热系数(5300 W /m/K),同时单层结构使石墨烯具有潜在的柔韧性。这些独特的特性使石墨烯有望用于制备超高导热性和超柔韧性的宏观材料。遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。目前我们手机里的散热膜,就是用GPI制成的。

        浙江大学的研究人员将原子厚度的大片层石墨烯折叠成具有微褶皱石墨烯薄膜,这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题。为了制备具有超高导热系数的石墨烯薄膜,研究人员采取了两步措施:使用无碎片的氧化石墨烯debris-free graphene oxide, dfGO)作为原材料来减少缺陷晶界,使用超高温退火工艺来获得基于dfGO的无缺陷的石墨烯片层debris-free graphene filmdfGF)。将石墨烯交叠起来后加温,石墨烯膜内部就产生一个个微小的气囊,随后再施加压力把微气囊中的气体排出,丰富密集的微褶皱就在表面形成了。从宏观层面上看,石墨烯薄膜的表面仍很光滑。为了获得超柔性,石墨烯片层以特殊方式被折叠,以获得在外部拉力下的高延展性,并为弯曲变形提供足够的空间。

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图1 石墨烯薄膜产生微褶皱的过程

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图2 dfGO(c)和dfGF的俯视图、侧视图

       由于声子缺陷边界散射的影响,石墨烯薄膜的导热系数为1940 ± 113 W /m/K。即便如此,该系数比目前最好的基于石墨烯的宏观材料(1434 W /m/K)高35%,比GPI(1750 W /m/K)高10%,比铜高390%。与此同时,微褶皱使得石墨烯薄膜具有超柔性,该薄膜经历严重的变形后(如反复弯曲、卷曲、缠绕、拧转、打结等)仍能保持结构完整性,此外,它还可以适应手指运动过程中的复杂变形,折叠成千纸鹤仍没有任何破损。

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图3 与GPI和铜箔相比,dfGF具有优异性能

        图4表示将这种石墨烯膜替代现在市场上的商用石墨膜,应用于手机散热膜上,发现手机CPU处的温度可以控制在33摄氏度以下,相对商用石墨膜降低了6摄氏度。其中 a表示市售智能手机背面,b表示手机处于待机状态,c表示用GPI作为手机散热膜,d表示同一部手机用新型石墨烯膜作为散热膜;e, f代表 在b、 c、d三种状态下,手机的水平和垂直温度线的比较,表明石墨烯薄膜具有更好的散热降温效果

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图4 dfGF的高导热性

                                           经测试,该石墨烯薄膜高断裂伸长率高达16%,可反复折叠6000多次,承受180°弯曲10万多次


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图5 dfGF的柔性

      人们正在展望下一代可弯曲的电子产品,如可折叠的智能手机和平板电脑,许多航天器件同样需要加工过程复杂的散热部件。该文提到的大面积的多功能石墨烯薄膜,具有柔软而高导热的性能,可以很容易地集成到现实生活中的大功率柔性器件上实现超高效的热管理

参考文献

Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films, P. Li, et al., Advanced Materials, (2017).

DOI: 10.1002/adma.201700589

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