Small:高导热柔性三维可折叠石墨烯复合膜

热量管理,是决定现代电子、光电子等器件性能和可靠性的决定性因素。电子器件工作时,相当一部分功率损耗转化为热能,热能得不到有效转移会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加,严重影响电子器件的工作可靠性和使用寿命,高性能散热材料和热界面材料的研究与开发已经受到科学界和工业界的广泛关注。

随着电子设备的功率和集成度越来越高以及智能和柔性设备的兴起,给与其高要求匹配的热管理材料的研发带来了新的挑战。金属材料的高密度、高刚性、较差的耐腐蚀性以及有限的热导率(~400 W/m·K )限制了其在大功率柔性设备中的应用,因此开发一种轻质、高导热、耐腐蚀、力学强度和柔韧性优异的新的散热材料尤为迫切。石墨烯是碳原子以 sp2 键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构,单层石墨烯的热导率可达 5300 W/(m·K) ,并且有良好的热稳定性。除此之外, 石墨烯的二维几何形状,与基体材料的强耦合及低成本, 都使得石墨烯成为散热的理想材料。目前,宏观石墨烯薄膜在面内方向的热导率大多都超过1200 W/(m·K)以上,远高于传统的石墨材料和金属材料,但由于石墨烯层与层之间仅靠弱范德华力耦合,在厚度方向的热导率比面内低两个数量级(通常热导率低于10 W/m·K ),远不能满足目前的应用要求,限制了石墨烯薄膜在高效散热材料领域的进一步应用。

近日,加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授与湖南大学陈小华教授课题组通过构建3D互穿石墨烯通道,制备了在面内方向和厚度方向均具有高热导率的柔性可折叠碳膜。以超细高分子纤维为骨架,氧化石墨烯作为成膜物质,通过相互之间的键合作用,同时借助高温处理,形成3D互连的微铰链状结构,石墨烯互穿于纤维表面获得连续的一体化全碳复合薄膜。这种设计为厚度方向和面内方向的热输运提供了由石墨烯互穿的高速通路,结合氧化石墨烯和纤维之间的石墨化协同效应,从而使薄膜在面内方向和厚度方向兼具高导热性能,特别是在厚度方向的热导率取得突破:面内方向热导率为1428±64 W/m·K,厚度方向热导率为150±7 W/m·K,达到金属水平。此外,热处理过程形成的微孔,以及在碳/碳材料表面和内部形成的大量纳米褶皱,结合微铰链状3D结构,赋予碳膜柔韧性和可折叠性。新的碳膜散热材料制备技术路线工艺简单,原材料来源广泛,适合工业化生产,可大规模应用在各种可穿戴设备、电子器件、电子设备以及对散热要求较高的大型装备领域。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201903315)上。