中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室、中国科学院大学FengXia Yang等–各向异性石墨烯薄膜导热性和柔性

电子器件小型化、致密化的快速发展，对高导热、柔性热界面材料(TIM)提出了大量需求，以保证电子器件的使用可靠性且延长其使用寿命。在此，我们通过真空辅助过滤策略提出了高导热和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在强大的真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驱动下，由于氢键(H-键)的作用，Gr片层呈层状堆叠。高层合Gr/PVP膜(GPVP-F)具有81.2 W m^-1 K^-1的面内导热系数，5.1 W m^-1 K^-1的通面导热系数。在实际应用中，GPVP-F作为柔性TIM使用时，可将发光二极管(LED)芯片冷却4.3℃(从46.1℃降至41.8℃)，在室温器件(< 50℃)冷却方面处于先进水平。此外，GPVP-F在100℃条件下仍具有良好的导热性(68.1 W m^-1 K^-1)，经过10次加热冷却循环后仍具有良好的稳定性。更重要的是，出色的灵活性确保了GPVP-F能够应用于不规则形状的设备。以上结果使GPVP-F在电子器件热管理方面具有广阔的应用前景。

图1. （a）GPVP-F的制备示意图。（b，c）GPVP-F的数码照片。（d） GPVP-F横截面的SEM图像。（e） Gr/PVP溶液和Gr溶液的照片。（f） Gr/PVP的TEM图像。

图2. （a） GPVP-F和Gr粉末的XRD图谱。（b） GPVP-F和Gr粉末的拉曼光谱。（c）10℃ min^-1，N₂气氛中， GPVP-F、Gr粉末和PVP加热至600℃的TG曲线。（d） GPVP-F的XPS测量图。（e） GPVP-F的反卷积C 1s。（f）Gr/PVP粉末和Gr粉末的FTIR图谱。

图3. (a)由不同Gr含量的分散体制备的GPVP-F的导热系数。(b) GPVP-F的面内、通面导热系数和热扩散系数。(c) GPVP-F的导热系数随温度的变化。(d) GPVP-F在加热和冷却循环过程中的导热系数变化曲线。

图4. 本工作中与其他文献中报道的Gr基薄膜的热导率的比较。

图5. GPVP-F沿平面内和穿过平面方向的热传导机制示意图。

图6. （a） 测试GPVP-F冷却效率的实验装置：裸态LED和GPVP-F-基LED的数字照片。LED的中心温度作为工作时间的函数（b），以及相应的IR图像（c）。

图7. 基于有限元分析的GPVP-F的LED冷却系统的温度分布。裸态LED（a）和LED-GPVP-F（b）的有限元模型。LED裸态（c）和LED-GPVP-F（d）的温度分布。

相关研究成果由中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室、中国科学院大学Fengxia Yang等人于2023年发表在Ceramics International (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.04.225)上。原文：Anisotropic graphene films with improved thermal conductivity and flexibility for efficient thermal management。