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- 發(fā)布時(shí)間2018-04-16 10:43
- 發(fā)布人金彩集團(tuán)
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隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子元器件日趨輕型化，微型化，高性能化，在運(yùn)行的過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生和累積大量的熱量，如果熱量不能被及時(shí)導(dǎo)出，過高的溫度會(huì)降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯(cuò)率，尤其是電子模塊與外界環(huán)境之間的過大的溫度差會(huì)形成熱應(yīng)力，直接影響到電子芯片的電性能、工作頻率、機(jī)械強(qiáng)度以及可靠性。所以，必須依靠性能優(yōu)異的散熱材料將器件所生成的熱量快速的散發(fā)出去。
傳統(tǒng)的散熱材料主要依靠于金屬，例如銀、銅、鋁等，但是金屬材料的一些固有性質(zhì)，例如密度大、耐腐蝕性差等已經(jīng)嚴(yán)重的制約了其在散熱材料方面的應(yīng)用。
一、高導(dǎo)熱石墨烯薄膜可行性分析
炭材料由于其質(zhì)輕、耐腐蝕、良好的機(jī)械性能、優(yōu)良的熱導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是有極大的發(fā)展空間的高導(dǎo)熱材料。隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)，越來越多的材料學(xué)家將注意力集中在這一充滿潛力的新興材料上。
石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化形成的六元環(huán)平面結(jié)構(gòu)，是一種理想化的二維平面材料。由于其特殊的二維晶體結(jié)構(gòu)，有著很好的機(jī)械強(qiáng)度、電子遷移率、高比表面積等特點(diǎn)。同時(shí)也有著很高的理論熱導(dǎo)率，超過6600 W/mK，是已知熱導(dǎo)率最高的材料。而且，Balandin 等利用單層石墨烯的G 峰的溫度依賴性和拉曼散射的激光激發(fā)頻率的關(guān)系計(jì)算出懸浮狀態(tài)下單層石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5300 W/mK，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨、碳納米管等其他碳材料的熱導(dǎo)率。
由于石墨烯在片層平面內(nèi)是各項(xiàng)同性的，在平面內(nèi)的熱傳導(dǎo)不會(huì)存在方向性。因此將石墨烯用于導(dǎo)熱領(lǐng)域，開發(fā)新型的導(dǎo)熱薄膜是非常有必要，也是最有可能實(shí)現(xiàn)的。
氧化石墨烯由于在水中或者其它極性溶劑中具有良好的分散性，所以被認(rèn)為是良好的石墨烯前驅(qū)體，而且Hummers 法制備的氧化石墨烯制備工藝成熟、產(chǎn)量大，已經(jīng)形成相應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)。所以在石墨烯導(dǎo)熱膜的尺度上，還原氧化石墨烯薄膜成為近幾年主要的技術(shù)路線。
二、抽濾法制備石墨烯薄膜
抽濾法由于其制備條件限制較少，試驗(yàn)方案成熟，而且在制備碳納米管薄膜中應(yīng)用較為廣泛。所以在石墨烯薄膜的性能研究上，抽濾法首先得到應(yīng)用。而且，由于抽濾法是通過濾瓶內(nèi)外形成氣壓差的方式來排除溶劑、形成薄膜，而Hummers 法制備的氧化石墨烯成片層狀，很容易在抽力的作用下緊密堆疊在一起，所以制備的氧化石墨烯薄膜致密，同時(shí)片層取向度較高，在面內(nèi)熱導(dǎo)率的測量上有著不俗的表現(xiàn)。
Song 等采用抽濾法，將氧化石墨烯分散液抽濾成膜，在氮?dú)鈿夥障律郎氐?00 ℃保溫0. 5 h，再分別升溫到800，900，1000，1100，1200 ℃，再采用激光閃射儀測得石墨烯薄膜的熱擴(kuò)散系數(shù)， 通過K = αCpρ 算得導(dǎo)熱膜得熱導(dǎo)率最高為1043. 5 W/mK。
Kumar 等將氧化石墨烯片層通過離心分離出大片層和小片層，分別抽濾成膜，成膜后用HI 進(jìn)行還原，有效的避免了因高溫還原氧化石墨烯多帶來的環(huán)境問題、能耗問題。最后通過激光閃射儀測算得大片層石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率最高達(dá)到1390 W/mK。
抽濾法由于操作成熟簡單，成為制作石墨烯薄膜得主要方法，但是由于其耗時(shí)長( 通常制備10 μm 的氧化石墨烯薄膜需花費(fèi)兩天以上) ，石墨烯薄膜得尺寸受制于濾膜尺寸等缺點(diǎn)，越來越多得材料學(xué)家采用新的方法制備大尺寸氧化石墨烯薄膜，再經(jīng)過相應(yīng)還原處理，制備到高導(dǎo)熱石墨烯薄膜。
三、其它方法制備氧化石墨烯薄膜
通過研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯分散液在較高溫度條件下進(jìn)行蒸發(fā)作用，氧化石墨烯片層會(huì)在氣－ 液界面成膜，所以Shen等將氧化石墨烯分散液置入聚四氟乙烯表面皿中，在80 ℃得條件下進(jìn)行表面蒸發(fā)自組裝成膜，制備了大尺寸的薄膜，經(jīng)過石墨化后得到石墨烯導(dǎo)熱膜，石墨化后薄膜的厚度只有2. 7 μm，其熱導(dǎo)率在1100 W/mK。
Huang 等將銅箔置于石墨烯分散液中，進(jìn)行蒸發(fā)自組裝成膜，再將銅箔和氧化石墨烯薄膜一起進(jìn)行熱壓還原，再將石墨烯薄膜從銅箔中分離下來，制得的石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率在1219 W/mK。與此同時(shí)，其他得成膜方法也在研究人員得開發(fā)中不斷得到驗(yàn)證。
浙江大學(xué)得Liu 等采用濕法紡絲得方法，將氧化石墨烯在氣流得作用下制備氧化石墨烯帶，在形成得過程中對石墨烯片層得取向進(jìn)行控制，能夠獲得連續(xù)的石墨烯薄膜，其石墨烯橫截面內(nèi)片層取向統(tǒng)一度和抽濾法得到的石墨烯膜相似，具有極大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。再經(jīng)過化學(xué)還原得到石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率在810 W/mK。
Xin 等利用靜電噴涂沉積的方法，將氧化石墨烯噴涂在鋁箔基底上，利用氧化石墨烯分散液和鋁箔本身得親水性不同，將氧化石墨烯薄膜連同鋁箔放入水中，經(jīng)過基底脫除、制成厚度、尺度可控的均勻薄膜，碳化還原后，石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率達(dá)到1238 W/mK。
四、氧化石墨烯薄膜存在的相應(yīng)問題
雖然單層的石墨烯完美晶體有著非常好的導(dǎo)熱性能，但是要到應(yīng)用階段就必須對石墨烯進(jìn)行從納米片層到微米薄膜的組裝。要想得到高導(dǎo)熱率的石墨烯薄膜必須解決兩個(gè)主要問題:
( 1) 石墨烯片層組裝的取向度，取向度極大的影響石墨烯薄膜二維平面方向的熱導(dǎo)率; ( 2) 石墨烯片層間隙: 石墨烯片層組裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的層間空隙，空隙不僅會(huì)形成熱阻也會(huì)會(huì)影響石墨烯薄膜的密度，從而降低石墨烯導(dǎo)熱膜的整體傳熱效率。
很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前著力于解決石墨烯組裝的取向度問題，包括使用靜電噴涂、抽濾等制作薄膜的工藝來提高片層的取向度。這些制膜工藝上的改進(jìn)確實(shí)能很大程度地提高石墨烯薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率，但是這些方法沒有從根本上解決解決石墨烯薄膜在組裝時(shí)片層間的空隙問題。
石墨烯薄膜的層間空隙較大，對于其熱導(dǎo)率的提高有很大的阻礙作用，如果能夠?qū)@些間隙能夠有效填充，那么就會(huì)極大的提高薄膜的熱導(dǎo)率。Hsieh 等先將氧化石墨烯在400 ℃加熱1 h 的條件下進(jìn)行還原，再將通過CVD 法制備的碳納米管和還原氧化石墨烯加入高速攪拌器中，進(jìn)行機(jī)械混合，再經(jīng)過壓縮處理所制成的散熱片，熱導(dǎo)率在能夠高達(dá)1900 W/mK，已經(jīng)極大的接近了石墨薄膜的理論熱導(dǎo)率( 2000 W/mK) 。這說明，在以后的研究中，如何將氧化石墨烯片層間和片層內(nèi)的空隙進(jìn)行有效填充，才是提高石墨烯薄膜熱導(dǎo)率的有效途徑。
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