具有優異的柔性和熱管理性能的石墨烯薄膜

來源 | Ceramics International

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背景介紹

隨著智能電子設備的高度集成化和小型化，電子元件產生的大量熱量導致電子設備效率降低甚至嚴重的熱失效。散熱器直接接觸電子元件，幫助散熱，而高接觸電阻阻礙了散熱器與電子元件之間的熱傳遞。

熱界面材料(TIM)旨在降低接觸電阻，滿足電子、航空航天和軍事領域對器件的嚴格要求。近年來，具有高導熱系數的柔性TIM引起了研究者的廣泛關注，以解決柔性電子器件中的過度散熱和改善熱管理問題。

石墨烯(Gr)是一種最有前途的二維(2D)納米材料，具有極高的導熱系數(5300 W/（mK）)，優異的柔韌性。然而，由于Gr的分散性差和Gr片間熱阻高，Gr膜的導熱系數明顯低于單層Gr。因此，在考慮降低熱阻的同時，應努力改善Gr片材在懸浮液中的分散，促進其在膜中的取向。

為了獲得高導熱的柔性Gr薄膜，提高Gr的分散性至關重要。芳綸納米纖維(ANFs)、明膠、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)被用作Gr分散體的分散劑，PVP中親水性(-CONH)和疏水性(-CH)基團的存在加速了Gr的分散，導致真空過濾后形成致密的高導熱石墨烯薄膜。然而，PVP的導熱系數低得多，這將略微降低石墨烯薄膜的導熱系數。因此如何通過PVP提高Gr的分散性而不惡化導熱性的材料制備技術是非常重要的。

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成果掠影

近期，中國科學院大學李江濤團隊通過真空輔助過濾策略提出了高導熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅動下，由于氫鍵(h -鍵)的作用，石墨烯片層呈層狀堆疊。高度層合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表現出81.2 W/（mK）的高面內導熱系數和5.1 W/（mK）的垂直平面導熱系數。在實際應用中，GPVP-F作為柔性TIM使用時，使發光二極管(LED)芯片溫度降低4.3°C(從46.1°C降至41.8°C)，對于室溫器件(< 50°C)的冷卻效果處于先進水平。此外，GPVP-F即使在100°C下仍具有優異的導熱性(68.1 W/（mK）)，并且經過10次加熱冷卻循環后仍具有出色的穩定性。更重要的是，出色的靈活性確保了GPVP-F能夠應用于不規則形狀的設備。以上結果使GPVP-F在電子器件熱管理方面具有廣闊的應用前景。研究成果以“Anisotropic graphene films with improved thermal conductivity and flexibility for efficient thermal management”為題發表于《Ceramics International》。

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圖文導讀

圖1.材料的制備流程和微觀結構示意圖。

圖2.材料的化學結構示意圖。

圖3.材料的熱導率示意圖。

圖4.不同文獻報道的材料的熱導率對比。

圖5.GPVP-F沿平面和透平面方向的熱傳導機理示意圖。

圖6.材料的熱管理性能。

圖7.基于有限元分析的GPVP-F作為TIM的LED冷卻系統溫度分布。