浙江大学:第639期:第01版:第01版

浙大诞生新型石墨烯膜:柔性好,导热强

解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题


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   期次:第639期   


  本报讯(记者 周炜)通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜:它是目前导热率最高的宏观材料,同时具有超柔性,能被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。
  相关论文近日发表于Ad-vanced Materials杂志,论文第一作者为博士生彭蠡。
  高超介绍,电子电器工作时会发热,需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此,研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。
  石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性;同时,单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。
  实验测试表明,石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲,同时这种石墨烯膜的导热率接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。柔软而高导热的性能,赋予我们无限的想象空间,比如,可折叠的手机、笔记本电脑,甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜,应用于手机散热膜上,发现手机CPU处的温度可以控制在33℃以下,相对商用GPI膜降低了6℃。如果把这层膜用到人造卫星上,就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。
  彭蠡说,电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题,据统计,电子产品失效的原因中,温度占比达到50%以上。科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”,并兼顾了良好的导热性能呢?高超说,团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路,在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱,让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。
  如此细小的褶皱怎么制造?高超团队想出了一种新颖的方法:将石墨烯膜高温加热,膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体,使石墨烯膜内部形成微气囊;再经过机械辊压成膜,微气囊的气体被排出,形成微褶皱。“就这么简单”,高超说。Advanced Science News认为,这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

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