上海微系統所研究新進展，為高性能石墨烯導熱膜制備提供新思路
核心提示：隨著石墨烯導熱膜兼具高導熱性和超柔性材料的問世，在觸控屏、太陽能電池、發光板、光電器件、微電子領域的應用范圍十分廣泛，石
隨著石墨烯導熱膜兼具高導熱性和超柔性材料的問世，在觸控屏、太陽能電池、發光板、光電器件、微電子領域的應用范圍十分廣泛，石墨烯導熱膜逐漸成為電子器件和系統重要的熱管理材料。近日，上海微系統所在石墨烯導熱膜尺寸效應方面的研究取得進展。
一、電子設備散熱需求的崛起
隨著 5G 通信技術的廣泛應用，電子設備的性能不斷提升，但散熱問題日益凸顯。自 20 世紀 60 年代以來，集成芯片行業遵循摩爾定律追求卓越性能，這對熱管理提出了巨大挑戰，尤其是在便攜式電子系統中。傳統的散熱材料，如氧化鋁或銅，已難以應對局部熱點冷卻的高要求，而且在便攜性和靈活性方面存在明顯不足。
二、石墨烯的發現與特性
2004 年，英國曼徹斯特大學的物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆教授成功從石墨薄片中剝離出石墨烯，這一重大發現為材料科學領域帶來了新的曙光。石墨烯被譽為“黑金”和“新材料之王”，其具有極其出色的光學、電學、熱學和力學特性。
石墨烯是世界上最薄、強度最大、導電導熱性能最強、延展性最好的新型納米材料。其優異的性能使其在材料學、微納加工、儲能、傳感器、電子信息、智能穿戴、生物醫學和藥物傳遞等眾多領域展現出廣闊的應用前景，被視為引領未來的革命性材料。
三、石墨烯導熱膜的優勢與作用
石墨烯因其卓越的導熱性和導電性，成為極具潛力的散熱和電磁屏蔽材料，備受關注。在電子產品中，如手機、平板電腦和路由器，隨著運行速度的加快，芯片產生的熱量急劇增加。若不能及時散熱，芯片性能將受影響，甚至可能損壞。而石墨烯的超高導熱性能遠超傳統材料，其熱導率約是銅的近 3 倍，能有效地幫助芯片散熱，確保其發揮最佳性能。
四、石墨烯導熱膜尺寸效應研究的進展
中國科學院上海微系統與信息技術研究所納米材料與器件實驗室丁古巧團隊在石墨烯導熱膜尺寸效應研究方面取得了重要突破。
研究發現，石墨烯膜的熱導率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸密切相關。通常，大尺寸原料有利于提升導熱性能，因為片層橫向尺寸越大，膜中片層間的界面越少，越利于熱傳輸。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備面臨諸多難題，如技術挑戰、制備過程繁瑣、低產率和高成本等。同時，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產生氣體的逸出抑制作用更顯著，導致導熱膜出現更多結構缺陷。
為了消除原料片層厚度等參數的影響，研究團隊從同一氧化石墨原料出發，采用機械剪切方式制備了 11 組平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度的氧化石墨烯。通過完全一致的工藝組裝制備石墨烯導熱膜，并分為大尺寸、常規尺寸和超小尺寸三類。
在亞微米尺寸范圍內，石墨烯導熱膜的橫向熱導率與氧化石墨烯原料橫向尺寸呈現負相關關系，即負尺寸效應，這與微米范圍內的規律相反。進一步的結構分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過程更利于氣體排出，減少缺陷產生，且小晶粒易于融合和長大。這意味著選擇亞微米超小尺寸氧化石墨烯是制備高性能石墨烯導熱膜的關鍵策略，而且其規模化制備難度和成本更低。
基于上述成果，團隊以超小尺寸氧化石墨烯為原料，實現了出色的橫向熱導率，超過了此前文獻報道的水平，與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜相近，且縱向熱導率更高。在實際應用中，裝載石墨烯導熱膜后，芯片表面溫度顯著降低，最大降溫幅度達 21.2℃，溫度分布更加均勻，能很好地滿足電子器件的熱管理需求。
這項研究為制備高性能石墨烯導熱膜提供了全新的思路，也為提升其縱向導熱性能指明了方向。隨著研究的不斷深入和技術的持續進步，相信石墨烯導熱膜將在電子設備散熱領域發揮更加重要的作用，推動電子行業的進一步發展。同時，國家自然科學基金等的支持為相關研究提供了有力保障，期待未來能有更多創新成果涌現，為解決散熱等關鍵問題提供更優方案。
五、石墨烯導熱膜在電子設備中的應用前景
隨著 5G 時代及電子技術發展，電子產品向輕薄化、高集成、高分辨率演進，散熱需求劇增。石墨烯導熱膜作為新型高導熱材料，能滿足此需求，已在 3C 數碼產品中廣泛應用。如華為率先用于 Mate 20 X 手機，隨后眾多廠商跟進。中國信通院數據顯示，2021 年 5G 手機出貨量大幅增長，其帶動石墨烯導熱膜市場滲透率提升。
因其柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機領域應用潛力巨大，未來技術成熟后需求量有望增長。
據預測，2025 年全球 5G 手機石墨烯導熱膜市場規模有望達 26.4 億元，4G 手機市場規模有望達 3.6 億元，智能手機領域合計有望達 30 億元。
此外，在平板電腦、汽車電子、航空航天等領域也前景良好。在航空航天領域，衛星、雷達等因減重采用桁架結構，對導熱能力要求極高，石墨烯導熱膜的高導熱率和良好力學性能等綜合優勢可滿足特殊要求。
從發展趨勢看，隨著成本降低、產能釋放及技術進步，石墨烯導熱膜有望成為主流散熱技術，推動電子行業發展。相關企業和研究機構正加大研發投入，提升其在各領域的滲透率，拓展應用場景。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551643.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。
一、電子設備散熱需求的崛起
隨著 5G 通信技術的廣泛應用，電子設備的性能不斷提升，但散熱問題日益凸顯。自 20 世紀 60 年代以來，集成芯片行業遵循摩爾定律追求卓越性能，這對熱管理提出了巨大挑戰，尤其是在便攜式電子系統中。傳統的散熱材料，如氧化鋁或銅，已難以應對局部熱點冷卻的高要求，而且在便攜性和靈活性方面存在明顯不足。
二、石墨烯的發現與特性
2004 年，英國曼徹斯特大學的物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫和安德烈·海姆教授成功從石墨薄片中剝離出石墨烯，這一重大發現為材料科學領域帶來了新的曙光。石墨烯被譽為“黑金”和“新材料之王”，其具有極其出色的光學、電學、熱學和力學特性。
石墨烯是世界上最薄、強度最大、導電導熱性能最強、延展性最好的新型納米材料。其優異的性能使其在材料學、微納加工、儲能、傳感器、電子信息、智能穿戴、生物醫學和藥物傳遞等眾多領域展現出廣闊的應用前景，被視為引領未來的革命性材料。
三、石墨烯導熱膜的優勢與作用
石墨烯因其卓越的導熱性和導電性，成為極具潛力的散熱和電磁屏蔽材料，備受關注。在電子產品中，如手機、平板電腦和路由器，隨著運行速度的加快，芯片產生的熱量急劇增加。若不能及時散熱，芯片性能將受影響，甚至可能損壞。而石墨烯的超高導熱性能遠超傳統材料，其熱導率約是銅的近 3 倍，能有效地幫助芯片散熱，確保其發揮最佳性能。
四、石墨烯導熱膜尺寸效應研究的進展
中國科學院上海微系統與信息技術研究所納米材料與器件實驗室丁古巧團隊在石墨烯導熱膜尺寸效應研究方面取得了重要突破。
研究發現，石墨烯膜的熱導率與組裝石墨烯膜原料的橫向尺寸密切相關。通常，大尺寸原料有利于提升導熱性能，因為片層橫向尺寸越大，膜中片層間的界面越少，越利于熱傳輸。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制備面臨諸多難題，如技術挑戰、制備過程繁瑣、低產率和高成本等。同時，在組裝過程中，大尺寸氧化石墨烯對高溫過程產生氣體的逸出抑制作用更顯著，導致導熱膜出現更多結構缺陷。
為了消除原料片層厚度等參數的影響，研究團隊從同一氧化石墨原料出發，采用機械剪切方式制備了 11 組平均橫向尺寸覆蓋亞微米至微米尺度的氧化石墨烯。通過完全一致的工藝組裝制備石墨烯導熱膜，并分為大尺寸、常規尺寸和超小尺寸三類。
在亞微米尺寸范圍內，石墨烯導熱膜的橫向熱導率與氧化石墨烯原料橫向尺寸呈現負相關關系，即負尺寸效應，這與微米范圍內的規律相反。進一步的結構分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高溫石墨化過程更利于氣體排出，減少缺陷產生，且小晶粒易于融合和長大。這意味著選擇亞微米超小尺寸氧化石墨烯是制備高性能石墨烯導熱膜的關鍵策略，而且其規模化制備難度和成本更低。
基于上述成果，團隊以超小尺寸氧化石墨烯為原料，實現了出色的橫向熱導率，超過了此前文獻報道的水平，與使用大尺寸氧化石墨烯制備的導熱膜相近，且縱向熱導率更高。在實際應用中，裝載石墨烯導熱膜后，芯片表面溫度顯著降低，最大降溫幅度達 21.2℃，溫度分布更加均勻，能很好地滿足電子器件的熱管理需求。
這項研究為制備高性能石墨烯導熱膜提供了全新的思路，也為提升其縱向導熱性能指明了方向。隨著研究的不斷深入和技術的持續進步，相信石墨烯導熱膜將在電子設備散熱領域發揮更加重要的作用，推動電子行業的進一步發展。同時，國家自然科學基金等的支持為相關研究提供了有力保障，期待未來能有更多創新成果涌現，為解決散熱等關鍵問題提供更優方案。
五、石墨烯導熱膜在電子設備中的應用前景
隨著 5G 時代及電子技術發展，電子產品向輕薄化、高集成、高分辨率演進，散熱需求劇增。石墨烯導熱膜作為新型高導熱材料，能滿足此需求，已在 3C 數碼產品中廣泛應用。如華為率先用于 Mate 20 X 手機，隨后眾多廠商跟進。中國信通院數據顯示，2021 年 5G 手機出貨量大幅增長，其帶動石墨烯導熱膜市場滲透率提升。
因其柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機領域應用潛力巨大，未來技術成熟后需求量有望增長。
據預測，2025 年全球 5G 手機石墨烯導熱膜市場規模有望達 26.4 億元，4G 手機市場規模有望達 3.6 億元，智能手機領域合計有望達 30 億元。
此外，在平板電腦、汽車電子、航空航天等領域也前景良好。在航空航天領域，衛星、雷達等因減重采用桁架結構，對導熱能力要求極高，石墨烯導熱膜的高導熱率和良好力學性能等綜合優勢可滿足特殊要求。
從發展趨勢看，隨著成本降低、產能釋放及技術進步，石墨烯導熱膜有望成為主流散熱技術，推動電子行業發展。相關企業和研究機構正加大研發投入，提升其在各領域的滲透率，拓展應用場景。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551643.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。
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