Ход исследований графеновых теплопроводящих материалов
1. Исследование состояния графеновой термопленки
Графен представляет собой углеродсодержащую шестичленную кольцевую структуру с гибридной структурой sp2, и различные физические и химические свойства очень стабильны. По сравнению с традиционными металлическими материалами, такими как медь и алюминий, графен имеет более высокую теплопроводность в плоскости. Из-за своей особой структуры графен имеет более низкую плотность, хорошую термическую стабильность, сверхвысокую электропроводность, отличную светопропускаемость и лучшие механические свойства. Графен является идеальным выбором в качестве аддитивного компонента теплопроводящих материалов. В то же время графеновая пленка может быть использована в качестве теплоотвода в электронных компонентах, прикрепленных к поверхности электронных компонентов, которые легко генерируют тепло, и равномерно рассеивает тепло, выделяемое источником тепла. Среди них самой высокой теплопроводностью и лучшим эффектом рассеивания тепла является искусственная графитовая теплопроводящая пленка, полученная из полиимидной пленки в процессе графитизации. Теплопроводность в направлении плоскости может достигать 700 ~ 1950 Вт∙м-1∙К-1, а толщина составляет 10 ~ 100 мкм, с хорошей теплопроводностью.
Wang Wen et al. добавили графеновые нанолисты к полипропилену, что может увеличить его теплопроводность в 14 раз. Chen et al. компаундировали графен и наноцеллюлозу посредством вакуумной фильтрации, что значительно улучшило теплопроводность и механические свойства графен/целлюлозной нановолокнистой композитной пленки. Song et al. объединили графен и наноцеллюлозу в гибридную пленку целлюлозы/ восстановленного оксида графена посредством послойной самосборки, демонстрируя высокоупорядоченную слоистую структуру. Однако сочетание матрицы и графена потребляет много энергии и не может достичь крупномасштабного производства.
В этом контексте изучение графеновых пленок с высокой теплопроводностью имеет два важных значения. Одна из них заключается в том, что из-за высокой стоимости искусственных графитовых пленок и сложности приготовления высококачественных полиимидных пленок промышленность надеется, что графеновые пленки с высокой теплопроводностью могут быть использованы в качестве альтернативного плана. Во-вторых, в связи с возрастающим спросом на рассеивание тепла в электронных изделиях, новые решения по рассеиванию тепла требуют не только высокой теплопроводности теплопроводящей пленки, но и определенной толщины теплопроводящей пленки для увеличения потока теплопроводности в плоском направлении. В искусственной графитовой пленке, благодаря степени молекулярной ориентации полиимида, графитированная полиимидная теплопроводящая пленка имеет более высокую теплопроводность только при небольшой толщине. Графеновую тепловую пленку легко превратить в толстую тепловую пленку (~100 мкм), которая имеет хорошие перспективы применения в системе терморегулирования новых электронных устройств.
2.Технические исследования толщины графеновой пленки
Получение более толстой графеновой теплопроводящей пленки в настоящее время является горячей темой исследований. Теоретически говоря, для увеличения толщины графеновой пленки может быть применена только более толстая пленка оксида графена. Однако в реальной эксплуатации существуют следующие проблемы: (1) Качество толстой пленки, образованной ножевым покрытием, невысокое. Из-за низкой концентрации дисперсии оксида графена (менее 10%) остальная часть оксида графена является водой, которая требует длительного времени для испарения. Хлопья оксида графена взаимодействуют с молекулами воды через водородные связи, и молекулы воды выходят, когда они испаряются, так что хлопья оксида графена образуют поперечные связи через водородные связи, образуя на поверхности пленку, похожую на «молочную кожу». Эта тонкая пленка замедляет испарение воды внутри дисперсии оксида графена и заставляет лист оксида графена иметь непоследовательную ориентацию, что снижает качество пленки.
(2) Трудно получить толстую пленку одноэтапным методом. Из-за низкой концентрации дисперсии оксида графена невозможно получить пленку оксида графена толщиной ~ 100 мкм за один раз независимо от таких методов, как покрытие ножом, спиновое покрытие или напыление. Luo et al. обнаружили, что пленка оксида графена все еще может быть связана друг с другом в условиях деионизированной инфильтрации воды после испарения до сухости. Это явление происходит потому, что слои оксида графена соединены друг с другом через водородные связи под действием воды. Так что пленку оксида графена можно наклеивать, как бумагу. Zhang et al. использовали аналогичный метод для раздувания подготовленной пленки оксида графена в воде и вставки ее слой за слоем. После сушки, горячего прессования, графитизации и холодного прессования получали сверхтолстую графеновую пленку толщиной 200 мкм. Он составляет 1224 Вт∙м-1∙К-1, а эффект рассеивания тепла, измеренный инфракрасной камерой, лучше, чем у медной, алюминиевой и тонкослойной графеновой термопленки. В настоящее время относительно мало исследований по получению графеновых пленок с высокой теплопроводностью толщиной 100 микрон. В дополнение к набуханию и склеиванию, перекрытие пленок оксида графена также может быть достигнуто такими методами, как электрический нагрев и связывание ионов металлов. Графеновая пленка с микронной толщиной и высокой теплопроводностью дает новые идеи.
3. Перспективы
С развитием крупномасштабной технологии приготовления графена теплопроводность высокотеплопроводной графеновой пленки, приготовленной на основе метода оксида графена, может достигать 2000 Вт∙м-1∙К-1. Теплопроводность графеновой пленки с высокой теплопроводностью эквивалентна теплопроводности высококачественной графитизированной полиимидной пленки для промышленного применения, и она имеет более низкую стоимость и лучшую управляемость толщины. В то же время графен, как двумерный теплопроводящий наполнитель, легко строит трехмерную теплопроводящую сеть в полимерной матрице, и имеет хорошие перспективы применения в теплопроводящих материалах. Благодаря улучшению дисперсии графена в полимерной матрице и построению трехмерной графеновой теплопроводящей сети теплопроводность заполненных графеном теплопроводящих композитов в несколько раз выше, чем у полимеров, а коэффициент заполнения ниже, чем у традиционных теплопроводящих наполнителей. Графен, независимо от того, используется ли он в качестве самонесущей теплопроводящей пленки или в качестве теплопроводящего наполнителя для теплопроводящих материалов, будет играть важную роль в следующем поколении приложений рассеивания тепла электронными компонентами.
