中国科学院山西煤化所JMCA：一种双模式散热策略：非对称结构赋予石墨烯膜热辐射和热传导

文章信息

第一作者：牛若涵

通讯作者：贾辉，陈成猛

单位：中国科学院山西煤炭化学研究所

研究背景

为防止内部电子器件产生的热量积累，需要在航天器外表面封装一层均热材料，使局部热量均一化然后将其传递到外太空。由于外太空的高真空环境不能进行对流传热，航天器表面与外太空之间只能通过热辐射的方式进行。因此，开发出一种兼具高热辐射性能和高热导率的柔性均热材料是航天器热管理的迫切需求。石墨烯膜由于轻质、高柔韧性、化学结构稳定、高热导率等优点，被认为是电子器件散热的理想材料。石墨烯膜有序结构的晶格结构缺陷较少，有利于声子的有序传递，其热导率可以达到1300 W m^-1 K^-1左右。然而，这种长程有序结构也表明声子的无序传递较少，辐射弛豫时间较短，从而导致较低的发射率，只有0.4~0.5左右。石墨烯的高热导率需要声子的有序振动，这意味着它具有长程有序结构，但这一要求与高发射率所需的粗糙结构相矛盾。因此，如何在保持石墨烯膜高热导率的同时提高它的发射率仍然是一个挑战。

成果简介

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所针对石墨烯膜热管理的研究取得最新进展。本文提出了一种非对称结构的石墨烯材料——长程有序的石墨烯结构和玫瑰花状的石墨烯结构，分别用于高导热和热辐射。对于作为导热层的石墨烯薄膜，3000℃下的高温处理工艺保证了较高的石墨化度，密度的增加有利于声子的有序传递，保证了较高的热导率。另一方面，作为热辐射层，1000°C处理后的玫瑰花状石墨烯结构可以有效地捕获入射红外，使其多次反射直至完全吸收。因此，通过形貌以及结构设计，该石墨烯复合材料在较宽的波长范围（2.5~18 µm）内表现出超出1000 W m^-1 K^-1的高热导率和0.99的类黑体红外发射率。这项工作为石墨烯膜热管理提供了一种形貌设计的策略。研究成果以“Asymmetric structure endows thermal radiation and heat conduction of graphene film for enhancing dual-mode heat dissipation”为题发表在“Journal of Materiala Chemistry A”。

本文要点

要点一：散热策略的理论分析

使用基于FEA的COMSOL Multiphysic 5.2 a进行了散热策略的理论分析。根据GJB/Z35-93，航天级混合集成电路要求工作温度低于120°C。当石墨烯薄膜热导率超过1000 W m⁻¹ K⁻¹时，加热器的温度降低到155°C。逐渐提高材料的发射率，可以使热源进一步降温。因此，该材料应具有>1000 W m⁻¹ K⁻¹的热导率，同时发射率应该>0.9。

图1 传统导热和非对称结构散热材料模型计算

要点二：石墨烯复合膜的微观结构和化学结构分析

GF呈现几乎平坦的表面，并有少量褶皱。经过修饰之后，GF@GPI呈现出具有大量褶皱的玫瑰花状形貌。这些表面褶皱有利于入射红外波的捕获。

图2  石墨烯及其复合膜的表观形貌及典型高度剖面

为了研究复合膜的石墨化结构和缺陷表征，通过XRD和Raman进行表征。在乱层石墨中，堆叠层相对于其相邻层随机旋转，导致相邻层解耦相互作用减少，有利于声子的传输。IR和XPS分析表明，与GF相比，GF@GPI具有更丰富的氧和氮官能团，入射的红外光与分子振动之间的相互作用在整个红外光谱范围内增强，从而增强了红外吸收/发射。

图3 氢键调控离子间库仑相互作用实验验证（ATR-FTIR和Raman）

要点三：石墨烯复合膜热辐射性能分析

通过形貌和结构设计，GF@GPI表现出超出1000 W m^-1 K^-1的高热导率和0.99的类黑体红外发射率（2.5~18 µm）。多层石墨烯的独特形态产生了梯度折射率，从而避免了突然折射率界面引起的反射。被捕获的电磁波通过热辐射层中的多个石墨烯层传播，并同时在石墨烯片之间的间隙处发生多次内部反射。除此之外，随机取向的石墨烯片可实现高效的全向发射。

图4 石墨烯复合膜的热辐射性能分析

要点四：石墨烯复合膜散热性能验证

当应用于电子元器件的散热时，GF@GPI覆盖的加热器的温度为117.4°C，有效地将温度保持在120°C以下。此外，GF@GPI显示出最高的热辐射效率，为3.87~3.98%，超出原石墨烯膜的两倍左右。

图5 石墨烯复合膜的散热性能验证

文章链接

https://doi.org/10.1039/D4TA07947G