石墨烯在导热散热领域的应用

石墨烯自从被发现以来，因其优异的性能，在工业领域中拥有极佳的应用场景和无可比拟的地位，被称为“新材料之王”。目前，石墨烯产业研究发展方向是围绕国家对新一代显示器件、大健康、环保、高端制造等战略性新兴产业的需求，不断拓展新兴产业领域的应用，其在导热、散热领域的应用就是其中的前沿方向之一。

电子元器件的热量管理对信息和智能社会的发展无疑十分关键。信息技术快速发展使得芯片功耗显著增大，热量管理成为其中至关重要的核心环节。热量导出快慢决定了芯片是否可以正常运行。具有高导热能力的散热薄膜是这方面的关键材料，是实现高效率热量管理的有效手段。据权威市场研究机构统计预测，2022年全球散热界面材料市场将达13.43亿美元。因此，发展高性能、低成本散热薄膜材料已经成为关系未来消费电子、信息技术乃至人工智能等许多领域的关键。安德烈·海姆说过：“石墨烯导电导热率高，化学结构又十分稳定，是一种很理想用于导热散热的新型材料”。本文将对石墨烯膜、石墨烯LED散热、石墨烯涂料等方面加以归纳和总结。

一、石墨烯散热膜

手机散热一直是困扰手机发展的一大问题。现在，主流的手机内部散热方式是石墨散热。石墨散热片通过将手机发热的中心温度分布到一个大区域，以便均匀地散热。部分金属外壳的手机还增加了金属背部散热。但是手机温度一旦高于常规标准，手机就会出现卡顿、反应慢等问题，以往厂家都是通过大面积的金属背板、限制最高温度，来实现手机温度控制，效果都不尽人意。

石墨烯散热技术与石墨片散热，名字虽然相似，但是实际性能却有天壤之别。石墨烯的导热系数为5300W/（m·K）,是已知导热系数最高的材料，其散热效率远高于目前的商用石墨散热片。可以说，石墨烯是智能手机等电子产品最理想的散热材料。

现有的手机散热薄膜主要采用的是聚酰亚胺（PI）薄膜经过碳化和高温石墨化后形成的人造石墨膜。其制备工艺复杂、成本昂贵，且高质量PI薄膜和人工石墨膜生产技术仍然为美国、日本等国控制。相比之下，石墨烯散热薄膜（如图1所示）优势明显，工艺过程易控、成本低、环境友好，薄膜性能与现有人工石墨膜相当（甚至更好），潜力巨大。然而，石墨烯散热膜目前市场尚无成熟产品。尽管文献报道宣称石墨烯散热膜可望实现高达1500～1900W/（m·K）的热导率，但实际测量值远低于此结果，意味着其中的关键问题有待进一步解决。

近期华为公司公布了华为Mate20系列手机。其中最大的黑科技是石墨烯散热技术。华为Mate20X在多款游戏中均可达到接近满帧的表现，较iPhone XS Max、三星Note9游戏体验更佳。官方实测显示，1h游戏后，华为Mate 20X的正反面温度分别只有37.4℃、38.1℃，明显低于三星Note 9和iPhone XS Max。温度的降低得益于采用石墨烯膜进行热传导和散热，这不仅在手机上全球第1次使用了石墨烯散热膜（Graphene Film），同时也是全球首款搭载真空腔均热板技术（Vapor Chamber）的手机。

华为Mate20手机上使用的石墨烯导热膜产品，是以石墨烯为原料，采用多层石墨烯堆叠而成的高定向导热膜，与市场其他同类散热材料相比，具有机械性能好、导热系数高，质量轻、材料薄、柔韧性好等特点，同时填补了国内外石墨烯高导热性应用产业化的空白，为电子、航空航天、医疗等行业提供高品质、经济化的整套散热解决方案。

另外一种制备石墨烯膜的方法为化学气相沉积法(CVD)，通过此方法制备的石墨烯散热膜的热导率可达2000W/(m·K)以上，但是由于在其制备过程中需要在高温高压条件下，制备环境苛刻，导致化学气相沉积法制备的石墨散热膜的生产成本相对较高，制约了该方法生产的石墨烯膜的实际应用。

二、石墨烯LED散热

随着科技的发展，发光二极管(LED)因高亮度、低能耗、生命周期长等优点而风靡全世界，在很多应用领域迅速取代了白炽灯和荧光灯。但是LED不会自发向外辐射热量，LED会在半导体的连接处产生大量热量，长时间的热量积累后，LED的使用寿命会迅速衰减，即使是低功率的LED也会有此问题。随着我们对LED灯及其照明设备提出更高功率的需求，如何控制LED表面的温度成为了LED大规模应用的一大挑战。由于LED灯丝灯的结构没有多余的散热结构件，只能依靠气体和外壳散热。根据热传导学3要素（传导、对流和辐射）来看，目前灯丝灯没有传导，只有对流和辐射。但是主要还是对流散热，辐射的比例很小。如果把石墨烯的技术导入到灯丝灯里，利用石墨烯的热辐射特性来增加灯丝灯的散热性，来延长灯丝灯的使用寿命。

为了验证石墨烯的热辐射性能，通过在相同的铜片上涂石墨烯和不涂进行对比试验，测试黑体辐射性能，通过图像观察可以看到涂有石墨烯的片区，它的热辐射特性非常明显，没有涂抹石墨烯的区域，没有明显的热辐射特性。当把石墨烯涂在铜箔或者是铝箔表面上时，同时对比热成像实验，结果是一致的，所以石墨烯具有比较好的热辐射特性。基于试验得到的结果，将石墨烯用在灯丝的背部位置的金属基板上，LED加热产生的热量通过石墨烯把热量辐射出去，同时利用泡壳内的导热气体来实现有效的对流、降低温度。根据涂石墨烯和不涂石墨烯产品的对比，可以看到涂有石墨烯的芯片结温温度比没有涂石墨烯的结温低3～5℃，这样可以看到明显地降低芯片的结温，从而能够延长灯丝的寿命。

当前，随着LED市场的逐渐成熟和竞争的逐渐白热化，如何降低成本，提高LED使用寿命，进而制造出更高性能的LED产品已经成为企业追逐的方向和目标。将石墨烯应用到LED领域，“石墨烯+LED”将为LED产业的发展带来了一个新的亮点。目前英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院研制的基于石墨烯技术的全新LED灯泡，使用寿命更长，平均价格更低，这对石墨烯在LED领域的应用起到了先河作用，清华大学和北京理工大学的相关石墨烯团队也加大了石墨烯在LED应用领域的研发。

2016年，山东晶泰星光电科技有限公司（简称“晶泰星”）与英国石墨烯照明有限公司签约合作，成立新的石墨烯公司是已知全球首家将石墨烯技术及产品大规模应用在LED领域的企业，这次合作将石墨烯在LED照明领域的应用推向大规模商业化应用阶段，目前晶泰星主要的研究方向是将石墨烯材料于LED灯中。

东旭光电同样在“石墨烯+LED”创新方面走在了前面。2017年5月，东旭光电收购明朔(北京)电子科技有限公司(以下简称“明朔电子”)，取得明朔电子51%的股份。东旭光电成功控股了这家以石墨烯散热技术为核心的大功率LED照明设备及照明综合解决方案提供商。在“工业之美·2018年度创新论坛暨颁奖典礼”东旭光电获奖产品为石墨烯LED灯，其拥有新颖的设计、应用理念，凭借石墨烯复合材料赋予的高强度散热能力，以石墨烯智联路灯、投光灯、汽车旅行灯以及耐高热辐射工矿灯等系列照明产品为人们日常工作、休闲提供更高质量的专业照明体验。据悉，目前东旭光电石墨烯智联路灯已覆盖全国25个省级区域的超过200个城市，累计安装超10万盏，并以每年超过50%的速度增长。

在竞争力方面，此款石墨烯照明产品拥有节能环保与智慧物联双重特性。首先，该产品可将灯具内置照明模组体积大幅缩小75%，质量减轻30%以上，从而将节电率提高20%～30%。因此，该产品相较传统钠灯可节电80%以上，而且亮度更高，光效更好。

任何新材料或技术走出实验室都面临一个共同问题，如何降低技术成本，并实现商业化，同时保证产品的高质量及品质一致性。有业内人士表示，石墨烯是一个非常好的导热材料，但是以现在石墨烯的生产工艺水平以及生产成本，将石墨烯用在LED会非常浪费其用。只有将石墨烯的生产成本降到非常低的条件下，石墨烯在LED散热方面才有大规模应用的基础。

三、石墨烯涂料

散热涂料是提高物体表面的散热速度和效率，降低材料表面温度的特种工业涂料。通过传导散热、对流散热、辐射散热、蒸发散热等4种主要方式传递热量，降低基材温度。由于目前材料科学与工程的快速发展，使得测试仪器、生产设备、零部件的设计、生产向着轻量化、小型化、集成化、高效化方向发展，尤其是超大规模集成电路的高速发展，使得电子器件的高功率密度特征越来越明显，由此电子器件表面产生的大量热量将直接影响到电子器件的工作稳定性和使用寿命。目前常规的冷却系统和散热材料所能达到的效果受到极大挑战，相同的问题出现在在汽车、新能源、军工、核工业、农业、化工、电子通讯、信息工程等领域。

一般的散热涂料是以聚合物作为基材，再加入一些导热性能好的金属填料包括传统的金、铜、铝等，以及一些导热系数较高的非金属填料如氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳纤维、碳化硅、碳纳米管等。石墨烯纳米涂料材料是在现有的涂料体系中加入石墨烯而成的复合涂料，它拥有优异的导热散热性能。

将石墨烯涂料涂覆于金属基材上能大大提高其热辐射系数，加快热交换效率；同时石墨烯的独特片层结构使涂层具备更优异的防腐蚀性能，极大地提高了产品的使用寿命。

石墨烯导热涂料，用在金属元器件上，大大增大了导热效率，石墨烯涂料导热与普通涂料相比导热性大大提高，而且能保留良好的机械性能。近年来，许多科研工作者将石墨烯复合涂料应用于导热散热领域，每年都有数以千计的文章和专利发表。根据文献内容，通过特殊方法制备的石墨烯／聚偏二氯乙烯导热复合薄膜，当石墨烯添加量达到20%（质量分数）时，材料热导率从0.18Ｗ／（ｍ·Ｋ）提高到了0.562Ｗ／(ｍ·Ｋ)。用液体法制备的石墨烯-硅橡胶导热复合材料，当石墨烯添加量为9%（质量分数）时，材料热导率由0.17Ｗ／(ｍ·Ｋ)提高到了0.32Ｗ／（ｍ·Ｋ）。

石墨烯涂料在涂刷后能大大提高基材的热辐射系数并达到热辐射系数0.9以上（理论值接近1），大大加快了热交换效率。石墨烯辐射散热降温涂料能够以1～13.5μm波长形式辐射带走基材表面的热量，降低器件表面温度，提高器件的使用寿命和稳定性，与颗粒状的其它散热填料相比，更容易形成导热网络，对涂层增强增韧效果明显。

四、结语

虽然石墨烯散热技术会颠覆传统的散热模式，但是想要实现其在工业产品上的应用就需要投入大量的费用和人力进行研发，所以这种技术对于研发实力弱的企业来说无疑可望而不可及的。因此加强石墨烯科研机构、生产厂商、下游厂商的合作显得尤为重要。聚焦能够解决实际问题的石墨烯导热散热膜企业，完善石墨烯导热散热膜全产业链，根据市场的需求痛点，加快产品的产业化推进速度，努力打开石墨烯导热散热产品市场化的整个产业链，为石墨烯的应用开辟新的应用方向。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.11.008）

作者：罗文谦 广州嘉峪私募证券投资管理有限公司

本文刊载于《新材料产业》2018年第11期