高导热、高柔性石墨烯膜问世,可耐受10万次弯折

作者: 周炜

来源: 环球科学

发布日期: 2017-06-07

浙江大学高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜,具有高导热和高柔性,能耐受10万次弯折,解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜:它是目前导热率最高的宏观材料,同时具有超柔性,能被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

高超介绍,电子电器工作时会发热,需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此,研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性;同时,单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。

在高超教授的办公室,记者见到了一片20厘米边长的石墨烯组装膜,看上去很像一片大大的即食海苔。高超介绍,这10微米厚的“海苔”,是由数千层单片石墨烯交叠而成的。实验测试表明,石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲,而不影响其导热导电性能,而且,在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。

同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK,接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。

柔软而高导热的性能,赋予我们无限的想象空间,比如,可折叠的手机、笔记本电脑,甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜,应用于手机散热膜上,发现手机CPU处的温度可以控制在33摄氏度以下,相对商用GPI膜降低了6摄氏度。如果把这层膜用到人造卫星上,就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。

彭蠡说,电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题。它们“怕热”,是因为这些功率器件都有稳定工作的温度区间。随着温度的升高,器件工作的稳定性会下降,噪音升高,并且寿命降低。一般来说,温度提高8~10度,器件寿命会下降一半。据统计,电子产品失效的原因中,温度占比达到50%以上。

科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”,并兼顾了良好的导热性能呢?高超说,团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路,在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱,让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。就像女孩们的百褶裙,裙摆可以展开很大。

如此细小的褶皱怎么制造?高超团队想出了一种新颖的方法:将石墨烯膜高温加热,膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体,使石墨烯膜内部形成微气囊;再经过机械辊压成膜,微气囊的气体被排出,形成微褶皱。“就这么简单”,高超说。Advanced Science News认为,这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

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