什么是石墨烯散热膜

北京冬奥会给我们留下了美好的回忆，除了世界顶流冰墩墩、雪容融，还有十分亮眼的科技——石墨烯，发热围巾、手套、袜子、暖手宝等石墨烯产品在冬奥冰雪中散发科技温度。这还仅仅只是被称为“新材料之王”的石墨烯应用的冰山一角，石墨烯不仅能为冬奥保暖，还能给电子产品“退烧”。

冰墩墩石墨烯发热暖手宝

手机、笔电、平板以及智能穿戴等电子产品已成为我们生活中不可或缺的必需品，功能日益强大，高速处理器、高分辨率、大屏化、高像素拍摄等等，迭代更新的速度让其他科技产品望尘莫及。功能高度集成和轻薄化设计也使得电子产品的散热问题越发突出，新型高导热石墨烯散热膜开始大显身手。

图  石墨烯散热膜，来源：道明超导

石墨烯散热膜具有良好的传热性能和柔韧性优异、质轻等特点，作为新型高导热材料备受关注，自2018年首次被华为应用于Mate 20 X手机之后，逐渐被国内主要手机品牌所应用，特别是在旗舰机、游戏机上，还拓展应用到平板上，未来有望成为主流散热技术之一。

表 石墨烯在手机的应用案例

仅从近期一个月内发布的新机来看，就已经有7款手机采用石墨烯散热方案，可见石墨烯散热势头强劲，小米和华为甚至还投资了石墨烯企业，可见其看重。石墨烯到底有何神奇之处，竟能如此受到青睐？今天我们就来了解一下。

一、什么是石墨烯

石墨烯，英文名：Graphene，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型、呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

早在20世纪40年代就已经有研究者提出了石墨烯的概念，但仅为理论研究。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov通过机械剥离法，利用特殊胶带剥离高定向热解石墨首次获得了石墨烯，二人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

图   石墨烯均热片，来源：网络

1、石墨烯的导热机理

石墨烯导热主要通过晶格的振动，晶格（声子）通过晶体结构单元的相互谐调制约和相互的声子振动来实现对外界的热量传导。石墨烯具有高热导率的原因，主要来源于碳原子间牢固的结合力、高度有序的排列组合和微晶尺寸比较大的晶格排列。

图   石墨烯散热膜的导热机理，来源：武汉汉烯

石墨烯的热导率主要由石墨烯声子频率、声子自由程、声子作用过程等因素决定，不同状态下石墨烯的热导率有所差别。纯的无缺陷单层石墨烯热导率高达5300W/mK。

表  不同形态石墨烯材料的热导率

2、石墨烯的制备方法

发展至今，石墨烯的制备方法已经有多种，但石墨烯的合成仍然是石墨烯研究中最关键的问题。根据碳源物相及合成环境，石墨烯的制备方法可分为固相法、液相法、气相法。

1）固相法

• 机械剥离法

胶带机械剥离高定向热解石墨可以获得高质量石墨烯，该方法效率低且成本高。

• SiC外延法

在单晶SiC 上通过真空石墨化外延生长可获得石墨烯。产品质量高、层数可控，可制备大尺寸的石墨烯，但成本很高，且质量、晶粒尺寸都略逊于机械剥离法。

• 打开CNT

将碳纳米管（CNTs ）局部嵌入聚合物中，然后采用等离子刻蚀打开CNTs可得到石墨烯纳米条带（GNRs）。该方法可大量制备形貌规则、结构可控、带隙可调的GNRs。

2）液相法

• 氧化还原法

氧化还原法是一种常见的液相法制备石墨烯的方法，该方法成本低、产量高，但产物有缺陷。液相法制备的氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)溶液在水中可完全分散从而获得几乎独立存在的GO层片的悬浮液。GO溶液可在多种表面上沉积成膜，激光还原和热探针还原可得到还原氧化石墨烯薄膜。

• 直接溶剂剥离法

将石墨分散在N-甲基吡咯烷酮、乙酰二甲胺、γ-丁内酯和1,3-二甲基-2-咪唑啉酮等溶剂中超声剥离可获得少层石墨烯。

• 单体组装

前驱体分子耦合为线性对位聚苯后通过脱氢环化可以获得原子级精度的GNRs。单体组装获得不同形貌的GNRs。

3）气相法

化学气相沉积(CVD)可以获得大面积单层、双层或多层石墨烯薄膜。以铜或镍为基底，反应温度在800~1000 ℃，经催化作用，碳原子沉积在基底表面，生成厚度可控的石墨烯。这种方法原材料选择灵活，但生产效率较低，生长过程和后续转移过程会在石墨烯中引入缺陷。

二、石墨烯散热膜

石墨烯散热膜是以石墨烯为原料，采用多层石墨烯堆叠而成的高定向导热膜，包含保护膜、单面胶、石墨烯膜、双面胶和离型膜等。

图源网络

1、石墨烯散热膜的优点

1）高导热系数，可达到1200~1800W/m·K，远大于传统的金属散热材料如铜、铝；

2）低热阻，热阻比铝低40%，比铜低20%。

3）重量轻，重量比铝轻 25%，比铜轻75%;

4）散热石墨烯膜表面可以与金属、塑胶、不干胶等其它材料组合，且根据实际形状需要可对石墨导热膜进行切割裁剪。

2、石墨烯散热膜的生产工艺

石墨烯散热膜以天然鳞状石墨为原料制备石墨烯浆料，经过涂布、烘干后送入高温炉进行碳化、石墨化处理，后经压延、模切最终获得。

图   石墨烯散热膜的主要生产工艺

目前国内石墨烯散热膜相关企业包括墨睿科技、深瑞墨烯、富烯科技、东莞鹏威、厦门凯纳、德阳烯碳、碳元科技、江苏宝烯、深圳烯材、中科悦达、深圳稀导、星途(常州)、中石科技、武汉汉烯、江苏斯迪克、安洁科技、宇航派蒙、道明光学、易成新能、平煤新型炭材等。