原料尺寸對(duì)石墨烯導(dǎo)熱膜熱導(dǎo)率的影響機(jī)制

石墨烯導(dǎo)熱膜的傳熱性能

石墨烯導(dǎo)熱膜是電子器件和系統(tǒng)重要的熱管理材料。近日，中國(guó)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)研究方面取得進(jìn)展。該工作通過(guò)建立亞微米-微米氧化石墨烯原料橫向尺寸與導(dǎo)熱膜熱導(dǎo)率之間的聯(lián)系，深化了對(duì)于3000℃高溫下氧化石墨烯組裝體還原重組過(guò)程的認(rèn)知，為組裝石墨烯等二維材料構(gòu)建高性能宏觀體提供了新思路。

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相關(guān)，一般大尺寸原料利于提升其導(dǎo)熱性能。這是由于原料片層的橫向尺寸越大，石墨烯膜中片層間的界面越少，越利于熱輸運(yùn)。因此，選擇大尺寸的氧化石墨烯原料，通過(guò)涂布、干燥、石墨化和壓延等工藝來(lái)制備石墨烯導(dǎo)熱膜，是制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜的重要策略。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，并存在制備過(guò)程繁瑣、低產(chǎn)率和高成本等問(wèn)題。同時(shí)，在組裝過(guò)程中，大尺寸氧化石墨烯對(duì)高溫過(guò)程產(chǎn)生氣體的逸出存在更顯著的抑制作用，導(dǎo)致導(dǎo)熱膜引入的皺紋和微孔等結(jié)構(gòu)缺陷更多。這限制了大尺寸原料在制備高性能石墨烯方面的優(yōu)勢(shì)。

該團(tuán)隊(duì)探討了氧化石墨烯尺寸變化對(duì)石墨烯導(dǎo)熱膜性能的影響即尺寸效應(yīng)。為了消除原料片層厚度等其他參數(shù)的影響，從同一氧化石墨原料出發(fā)，該研究采用機(jī)械剪切方式制備了平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度的11組氧化石墨烯。基于此，研究利用完全一致的刮刀涂布、干燥、石墨化、壓延等工藝組裝制備石墨烯導(dǎo)熱膜。按照原料橫向尺寸，這些石墨烯導(dǎo)熱膜可分為大尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜、常規(guī)尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜、超小尺寸氧化石墨烯制備的導(dǎo)熱膜。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，結(jié)構(gòu)分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過(guò)程更利于氣體的排出而避免缺陷產(chǎn)生，且小晶粒在高溫石墨化過(guò)程中易于融合和長(zhǎng)大。這表明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)熱膜的重要策略。同時(shí)，相對(duì)于大尺寸氧化石墨烯原料，亞微米超小尺寸氧化石墨烯的更易獲得，規(guī)?；苽潆y度和成本更低。

基于上述成果，該團(tuán)隊(duì)以超小尺寸氧化石墨烯為原料，在~110μm膜厚時(shí)實(shí)現(xiàn)了1550.06±12.99W/mK的橫向熱導(dǎo)率，超過(guò)此前文獻(xiàn)報(bào)道的水平。該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)用場(chǎng)景中，相較于裸芯片，芯片表面溫度在裝載石墨烯導(dǎo)熱膜后有所降低，最大降溫幅度達(dá)到21.2℃，芯片表面溫度分布更加均勻。因此，超小尺寸氧化石墨烯制備的高性能導(dǎo)熱膜可以較好地滿足電子器件實(shí)際熱管理需求。這為制備高性能石墨烯導(dǎo)熱膜提供了新思路，并為提升石墨烯導(dǎo)熱膜縱向?qū)嵝阅芴峁┝诵戮€索。

相關(guān)研究成果以Anomalous size effects of ultra-small graphene sheets on the thermal properties of macroscopic films為題發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。