具有优异的柔性和热管理性能的石墨烯薄膜

来源 | Ceramics International

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背景介绍

随着智能电子设备的高度集成化和小型化，电子元件产生的大量热量导致电子设备效率降低甚至严重的热失效。散热器直接接触电子元件，帮助散热，而高接触电阻阻碍了散热器与电子元件之间的热传递。

热界面材料(TIM)旨在降低接触电阻，满足电子、航空航天和军事领域对器件的严格要求。近年来，具有高导热系数的柔性TIM引起了研究者的广泛关注，以解决柔性电子器件中的过度散热和改善热管理问题。

石墨烯(Gr)是一种最有前途的二维(2D)纳米材料，具有极高的导热系数(5300 W/（mK）)，优异的柔韧性。然而，由于Gr的分散性差和Gr片间热阻高，Gr膜的导热系数明显低于单层Gr。因此，在考虑降低热阻的同时，应努力改善Gr片材在悬浮液中的分散，促进其在膜中的取向。

为了获得高导热的柔性Gr薄膜，提高Gr的分散性至关重要。芳纶纳米纤维(ANFs)、明胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)被用作Gr分散体的分散剂，PVP中亲水性(-CONH)和疏水性(-CH)基团的存在加速了Gr的分散，导致真空过滤后形成致密的高导热石墨烯薄膜。然而，PVP的导热系数低得多，这将略微降低石墨烯薄膜的导热系数。因此如何通过PVP提高Gr的分散性而不恶化导热性的材料制备技术是非常重要的。

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成果掠影

近期，中国科学院大学李江涛团队通过真空辅助过滤策略提出了高导热和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驱动下，由于氢键(h -键)的作用，石墨烯片层呈层状堆叠。高度层合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表现出81.2 W/（mK）的高面内导热系数和5.1 W/（mK）的垂直平面导热系数。在实际应用中，GPVP-F作为柔性TIM使用时，使发光二极管(LED)芯片温度降低4.3°C(从46.1°C降至41.8°C)，对于室温器件(< 50°C)的冷却效果处于先进水平。此外，GPVP-F即使在100°C下仍具有优异的导热性(68.1 W/（mK）)，并且经过10次加热冷却循环后仍具有出色的稳定性。更重要的是，出色的灵活性确保了GPVP-F能够应用于不规则形状的设备。以上结果使GPVP-F在电子器件热管理方面具有广阔的应用前景。研究成果以“Anisotropic graphene films with improved thermal conductivity and flexibility for efficient thermal management”为题发表于《Ceramics International》。

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图文导读

图1.材料的制备流程和微观结构示意图。

图2.材料的化学结构示意图。

图3.材料的热导率示意图。

图4.不同文献报道的材料的热导率对比。

图5.GPVP-F沿平面和透平面方向的热传导机理示意图。

图6.材料的热管理性能。

图7.基于有限元分析的GPVP-F作为TIM的LED冷却系统温度分布。