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- 發布時間2018-04-16 10:43
- 發布人金彩(cai)集團
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隨著科學技術的(de)(de)(de)(de)(de)不斷發(fa)展，各種電(dian)子(zi)元(yuan)器件日趨輕型(xing)化，微(wei)型(xing)化，高性(xing)(xing)(xing)能(neng)化，在運行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中不可(ke)避免(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)會(hui)產生和累積大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)，如果(guo)熱(re)(re)量(liang)不能(neng)被(bei)及時導出(chu)，過高的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度會(hui)降低芯片的(de)(de)(de)(de)(de)工作穩定性(xing)(xing)(xing)，增(zeng)加出(chu)錯率(lv)，尤其是電(dian)子(zi)模塊與外界環境(jing)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)過大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度差會(hui)形成熱(re)(re)應力，直接影響到電(dian)子(zi)芯片的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)、工作頻(pin)率(lv)、機械強度以(yi)及可(ke)靠性(xing)(xing)(xing)。所(suo)以(yi)，必須依靠性(xing)(xing)(xing)能(neng)優異的(de)(de)(de)(de)(de)散熱(re)(re)材(cai)料將器件所(suo)生成的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)快速的(de)(de)(de)(de)(de)散發(fa)出(chu)去。
傳(chuan)統的(de)(de)(de)散熱材料(liao)主要依靠(kao)于金屬，例如(ru)銀、銅、鋁等，但是金屬材料(liao)的(de)(de)(de)一(yi)些(xie)固(gu)有性質，例如(ru)密(mi)度大、耐(nai)腐蝕(shi)性差等已經嚴重的(de)(de)(de)制約(yue)了其在散熱材料(liao)方面的(de)(de)(de)應用。
一、高導熱石墨(mo)烯薄(bo)膜可行性分析(xi)
炭材(cai)料由于其質(zhi)輕、耐腐蝕、良好的(de)(de)(de)機械(xie)性能、優良的(de)(de)(de)熱(re)導率、較小的(de)(de)(de)熱(re)膨脹系數(shu)等優點，被認(ren)為(wei)是有極大的(de)(de)(de)發展空間的(de)(de)(de)高導熱(re)材(cai)料。隨著石墨烯的(de)(de)(de)發現，越來越多的(de)(de)(de)材(cai)料學家將(jiang)注意(yi)力集中在這一充(chong)滿潛力的(de)(de)(de)新興材(cai)料上。
石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化形成的六元環平面結構，是一種理想化的二維平面材料。由于其特殊的二維晶體結構，有著很好的機械強度、電子遷移率、高比表面積等特點。同時也有著很高的理論熱導率，超過6600 W/mK，是已知熱導率最高的材料。而且，Balandin 等利用單層石墨烯的G 峰的溫度依賴性和拉曼散射的激光激發頻率的關系計算出懸浮狀態下單層石墨烯的熱導率高達5300 W/mK，遠遠高于石墨、碳納米管等其他碳材料的熱導率。
由(you)于(yu)石(shi)墨烯在片層(ceng)平面內是(shi)各項同性(xing)的(de)(de)，在平面內的(de)(de)熱(re)傳導(dao)不會存在方向性(xing)。因此將石(shi)墨烯用于(yu)導(dao)熱(re)領域(yu)，開(kai)發新型的(de)(de)導(dao)熱(re)薄膜是(shi)非常有(you)必要，也是(shi)最有(you)可能(neng)實現的(de)(de)。
氧化石墨烯由于在水中或者其它極性溶劑中具有良好的分散性，所以被認為是良好的石墨烯前驅體，而且Hummers 法制備的氧化石墨烯制備工藝成熟、產量大，已經形成相應的工業化生產。所以在石墨烯導熱膜的尺度上，還原氧化石墨烯薄膜成為近幾年主要的技術路線。
二(er)、抽濾法制(zhi)備石墨烯薄膜(mo)
抽濾法由于(yu)其制(zhi)備條件限制(zhi)較(jiao)少，試驗(yan)方案(an)成熟，而(er)且在(zai)制(zhi)備碳納(na)米管(guan)薄膜(mo)中應(ying)用較(jiao)為廣泛。所(suo)以在(zai)石(shi)墨(mo)烯薄膜(mo)的性能研究(jiu)上，抽濾法首先得到應(ying)用。而(er)且，由于(yu)抽濾法是通(tong)過濾瓶(ping)內外形(xing)(xing)成氣壓差的方式來排除(chu)溶劑、形(xing)(xing)成薄膜(mo)，而(er)Hummers 法制備的氧化石墨烯成片層狀，很容易在抽力的作用下緊密堆疊在一起，所以制備的氧化石墨烯薄膜致密，同時片層取向度較高，在面內熱導率的測量上有著不俗的表現。
Song 等(deng)采(cai)用(yong)抽濾法，將氧化(hua)石墨(mo)烯分散(san)液抽濾成膜(mo)，在氮氣氣氛(fen)下升溫到400 ℃保溫0. 5 h，再分別(bie)升溫到800，900，1000，1100，1200 ℃，再采(cai)用(yong)激(ji)光(guang)閃射儀測得(de)石墨(mo)烯薄膜(mo)的熱(re)擴散(san)系數， 通過K = αCpρ 算得(de)導(dao)熱(re)膜(mo)得(de)熱(re)導(dao)率最高為1043. 5 W/mK。
Kumar 等將氧(yang)化石(shi)墨烯(xi)片層(ceng)通(tong)過離心分離出大片層(ceng)和小片層(ceng)，分別抽濾(lv)成(cheng)膜，成(cheng)膜后用HI 進行還原，有效的(de)避免了因高溫還原氧(yang)化石(shi)墨烯(xi)多帶來的(de)環境問(wen)題(ti)、能耗(hao)問(wen)題(ti)。最后通(tong)過激(ji)光閃射儀(yi)測(ce)算(suan)得(de)大片層(ceng)石(shi)墨烯(xi)薄膜的(de)熱導率最高達到(dao)1390 W/mK。
抽濾法由于操作成(cheng)熟簡單，成(cheng)為制作石(shi)墨烯薄膜得主(zhu)要(yao)方(fang)法，但是由于其耗(hao)時長( 通常制備10 μm 的氧化石墨烯薄膜需花費兩天以上) ，石墨烯薄膜得尺寸受制于濾膜尺寸等缺點，越來越多得材料學家采用新的方法制備大尺寸氧化石墨烯薄膜，再經過相應還原處理，制備到高導熱石墨烯薄膜。
三、其它(ta)方(fang)法(fa)制備氧(yang)化石(shi)墨烯薄膜
通過研究發(fa)現(xian)，氧化石(shi)墨(mo)烯分散液在較(jiao)高溫度條件下進行蒸發(fa)作用，氧化石(shi)墨(mo)烯片層會在氣－ 液界面(mian)成膜，所以Shen等將氧化石墨烯分散液置入聚四氟乙烯表面皿中，在80 ℃得條件下進行表面蒸發自組裝成膜，制備了大尺寸的薄膜，經過石墨化后得到石墨烯導熱膜，石墨化后薄膜的厚度只有2. 7 μm，其熱導率在1100 W/mK。
Huang 等將銅箔置于石墨(mo)烯分散液中，進(jin)行蒸發(fa)自組裝成(cheng)膜(mo)，再將銅箔和氧化(hua)石墨(mo)烯薄膜(mo)一起進(jin)行熱(re)壓還原，再將石墨(mo)烯薄膜(mo)從銅箔中分離下來，制得(de)(de)的石墨(mo)烯薄膜(mo)的熱(re)導率在1219 W/mK。與此同時，其(qi)他得(de)(de)成(cheng)膜(mo)方(fang)法也在研究人(ren)員得(de)(de)開發(fa)中不斷得(de)(de)到驗證(zheng)。
浙江大學得Liu 等采用濕法紡絲得方法，將氧化石墨烯在氣流得作用下制備氧化石墨烯帶，在形成得過程中對石墨烯片層得取向進行控制，能夠獲得連續的石墨烯薄膜，其石墨烯橫截面內片層取向統一度和抽濾法得到的石墨烯膜相似，具有極大的工業化應用潛力。再經過化學還原得到石墨烯薄膜的熱導率在810 W/mK。
Xin 等利用靜(jing)電噴(pen)涂沉積的(de)方法，將(jiang)氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯噴(pen)涂在鋁箔(bo)(bo)基(ji)(ji)底上，利用氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯分散液和鋁箔(bo)(bo)本身得親(qin)水(shui)性不同，將(jiang)氧化(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯薄(bo)膜連同鋁箔(bo)(bo)放入(ru)水(shui)中，經過基(ji)(ji)底脫除、制成厚度(du)(du)、尺(chi)度(du)(du)可控的(de)均勻薄(bo)膜，碳化(hua)還原后，石(shi)(shi)墨(mo)烯薄(bo)膜的(de)熱導率達到(dao)1238 W/mK。
四、氧化石(shi)墨烯薄膜存在的相應(ying)問題
雖然(ran)單層的石墨烯(xi)完美晶體有著非常好的導(dao)熱(re)性能，但是要到應用階段(duan)就必(bi)須對石墨烯(xi)進行從納米片(pian)層到微米薄(bo)膜的組裝。要想得(de)到高(gao)導(dao)熱(re)率(lv)的石墨烯(xi)薄(bo)膜必(bi)須解決兩(liang)個主(zhu)要問題:
( 1) 石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)片(pian)層(ceng)(ceng)組(zu)裝的取向度(du)，取向度(du)極大(da)的影響(xiang)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)薄(bo)膜(mo)(mo)二(er)維平面方(fang)向的熱(re)導率(lv); ( 2) 石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)片(pian)層(ceng)(ceng)間隙(xi): 石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)片(pian)層(ceng)(ceng)組(zu)裝時(shi)會(hui)產生較大(da)的層(ceng)(ceng)間空隙(xi)，空隙(xi)不僅會(hui)形成熱(re)阻也(ye)會(hui)會(hui)影響(xiang)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)薄(bo)膜(mo)(mo)的密度(du)，從(cong)而降(jiang)低石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)導熱(re)膜(mo)(mo)的整體傳熱(re)效率(lv)。
很多研發團(tuan)隊目前著力于解(jie)決(jue)(jue)石墨烯(xi)組裝的(de)(de)(de)(de)取(qu)向(xiang)度(du)問(wen)題，包括使(shi)用(yong)靜電(dian)噴涂、抽濾等制作薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)工藝來提高(gao)片層的(de)(de)(de)(de)取(qu)向(xiang)度(du)。這些(xie)制膜(mo)工藝上的(de)(de)(de)(de)改(gai)進(jin)確實能很大(da)程度(du)地提高(gao)石墨烯(xi)薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)面內熱導(dao)率，但(dan)是(shi)這些(xie)方(fang)法沒有(you)從根本上解(jie)決(jue)(jue)解(jie)決(jue)(jue)石墨烯(xi)薄膜(mo)在組裝時片層間的(de)(de)(de)(de)空(kong)隙(xi)問(wen)題。
石墨烯薄膜的層間空隙較大，對于其熱導率的提高有很大的阻礙作用，如果能夠對這些間隙能夠有效填充，那么就會極大的提高薄膜的熱導率。Hsieh 等先將氧化石墨烯在400 ℃加熱1 h 的條件下進行還原，再將通過CVD 法制備的碳納米管和還原氧化石墨烯加入高速攪拌器中，進行機械混合，再經過壓縮處理所制成的散熱片，熱導率在能夠高達1900 W/mK，已經極大的接近了石墨薄膜的理論熱導率( 2000 W/mK) 。這(zhe)說明，在以后的(de)研(yan)究(jiu)中(zhong)，如何將氧(yang)化石墨烯片層間(jian)和片層內(nei)的(de)空隙進行有效填充(chong)，才是提高石墨烯薄膜熱導率的(de)有效途徑。
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