自2024年2月1日起《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2024年本）》正式施行，《目錄（2024年本）》共有條目1005條，其中鼓勵(lì)類352條、限制類231條、淘汰類422條。其中“石墨烯材料、氫燃料電池石墨雙極板、高性能天然石墨負(fù)極材料、核級(jí)石墨生產(chǎn)及應(yīng)用開發(fā)”為鼓勵(lì)類，列在第一類 鼓勵(lì)類 |十二、建材| 第7條。
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本文介紹了石墨烯作為高導(dǎo)熱材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，總結(jié)了石墨烯材料的制備方法，包括機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法及氧化還原法等；探討了不同類型石墨烯材料的導(dǎo)熱機(jī)理，指出石墨烯材料通過聲子和電子進(jìn)行熱傳導(dǎo)，并以聲子導(dǎo)熱為主介紹了串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)熱阻模型和導(dǎo)熱逾滲模型；歸納了單層或少層石墨烯、石墨烯膜、碳納米管/石墨烯復(fù)合膜及相變高分子/石墨烯復(fù)合材料等類型的高導(dǎo)熱石墨烯材料在熱管理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展。
隨著國防技術(shù)的發(fā)展，高速飛行器和微電子器件等對(duì)材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求。高速飛行器具有巡航速度快、航程遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是未來飛行器的主要發(fā)展趨勢(shì)，其在大氣中飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的大量熱量集中于飛行器頭錐、翼緣等尖銳部位，形成局部高溫?zé)狳c(diǎn)。過高的溫度將降低飛行器結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和承載能力，縮減結(jié)構(gòu)的使用壽命，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。先進(jìn)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、通信、功率源等設(shè)備中的微電子器件在使用過程中也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致芯片單位面積內(nèi)大熱流密度的形成；熱量一旦不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，將造成器件局部溫度過高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷甚至失效。為滿足未來電子元器件對(duì)體積、質(zhì)量和功耗的要求，以美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局為代表的國防機(jī)構(gòu)和企業(yè)正積極開展散熱技術(shù)的研究。
高速飛行器、微電子器件等領(lǐng)域熱管理（thermal management）的主要作用是將諸如電子元器件中產(chǎn)生的熱量快速傳遞至散熱材料，避免其因過高的溫度而發(fā)生失效。如果器件使用過程中出現(xiàn)了熱點(diǎn)，其熱通量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，因此要求導(dǎo)熱材料具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率。銅、鋁等傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，由于密度大、熱膨脹系數(shù)高、易腐蝕、不耐氧化等缺點(diǎn)，難以滿足航空航天等極端環(huán)境下導(dǎo)熱、傳熱的要求，因此探索新型高效的熱管理材料對(duì)于促進(jìn)高速飛行器、微電子器件等發(fā)展具有重要意義。
石墨烯是由sp2雜化碳原子緊密排列而形成的具有六元環(huán)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層碳原子晶體，石墨烯片層上每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵的p軌道電子，通過p軌道電子云相互作用形成共軛大π鍵。另外，石墨烯晶格振動(dòng)的能量因子主要為聲子，因此具備優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，在室溫下的面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)~5300W/（m·K）。此外，石墨烯還具有密度低（<2.2g/cm3）、熱膨脹系數(shù)小、熱輻射率高、高溫穩(wěn)定性好（無氧環(huán)境下耐溫可達(dá)約3000℃）、耐粒子沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此石墨烯是一種理想的可適用于極端環(huán)境的高性能熱管理材料。
石墨烯的制備方法主要有2類（圖1）：一為“自上而下”法，即通過物理或者化學(xué)方法對(duì)碳材料進(jìn)行剝離或者剪切，從而獲得高品質(zhì)石墨烯，主要包括機(jī)械剝離法、氧化還原法及電弧放電法等；另一種為“自下而上”法，即以含碳小分子為原料通過化學(xué)反應(yīng)合成單層或寡層石墨烯，主要包括化學(xué)氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法和有機(jī)合成法等。其中，機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法等在制備石墨烯材料中的應(yīng)用較為廣泛。
圖1 “自上而下”法和“自下而上”法制備石墨烯
機(jī)械剝離法是最早發(fā)現(xiàn)石墨烯的方法，借助膠帶機(jī)械力的作用，對(duì)高定向熱解石墨的表面進(jìn)行剝離，最后在SiO2/Si基底上獲得高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)完整的單層石墨烯，其力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性能最接近理想的石墨烯。然而該方法制備成本高、效率低，且存在較大的隨機(jī)性，因而難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
外延生長(zhǎng)法是在高真空環(huán)境下，以諸如SiC材料作為基體，將Si原子從基底蒸發(fā)出來，從而得到連續(xù)的石墨烯薄膜。該方法獲得的石墨烯，其質(zhì)量與基體、催化劑、溫度和真空度等因素緊密相關(guān)。外延生長(zhǎng)法的優(yōu)點(diǎn)是可以大面積制備具有高載流子遷移率的石墨烯薄膜，厚度可以控制至僅1~2層，但該方法同樣存在制備條件苛刻、成本較高、石墨烯難以從基底轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)。
化學(xué)氣相沉積（CVD）法是制備大面積石墨烯的一種有效方法，該方法將含碳有機(jī)物作為碳源置于反應(yīng)爐中，碳源在高溫下發(fā)生分解，使碳原子沉積于催化劑基底表面，從而得到石墨烯。通過控制催化劑和碳源的種類、反應(yīng)溫度、通入氣流量等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的可控生長(zhǎng)。
氧化還原法是目前應(yīng)用最廣泛的石墨烯制備方法之一，該方法所用的原料便宜易得、制備流程簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模、低成本制備石墨烯。制備時(shí)首先通過Hummer法將石墨氧化得到氧化石墨烯（GO），GO可以組裝成如泡沫、薄膜及氣凝膠等形狀。由于石墨的強(qiáng)氧化過程嚴(yán)重破壞了其sp2雜化碳結(jié)構(gòu)，大幅降低了導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，因此需要對(duì)GO進(jìn)行高溫?zé)徇€原或化學(xué)還原而獲得還原氧化石墨烯材料（rGO），rGO恢復(fù)了碳原子sp2雜化結(jié)構(gòu)，從而具備優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。通過氧化還原法制備的rGO薄膜熱導(dǎo)率可達(dá)1100W/（m·K）。
熱傳導(dǎo)在本質(zhì)上是物質(zhì)內(nèi)部的微觀粒子相互碰撞和能量傳遞的結(jié)果。無機(jī)非金屬材料主要通過晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子傳導(dǎo)熱量，即聲子導(dǎo)熱；金屬晶體主要通過電子的相互作用進(jìn)行導(dǎo)熱，即電子導(dǎo)熱。根據(jù)Kiedemann-Franz定律，電子導(dǎo)熱的熱導(dǎo)率為
式中，λe為電子傳導(dǎo)貢獻(xiàn)的熱導(dǎo)率，kB為波爾茲曼常數(shù)，e為電子電荷。
石墨烯作為無機(jī)非金屬材料，同時(shí)具有自由移動(dòng)的共軛電子，該獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了石墨烯材料的導(dǎo)熱性能是由聲子導(dǎo)熱和電子導(dǎo)熱共同貢獻(xiàn)。研究人員對(duì)石墨烯紙、石墨烯-碳納米管以及石墨烯/聚合物復(fù)合材料等的導(dǎo)熱機(jī)制開展了廣泛研究。
石墨烯材料——聲子導(dǎo)熱為主
在室溫下，對(duì)于具有高電導(dǎo)率的石墨烯材料來說，λe對(duì)整體熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)非常微小，因此本文中提及的石墨烯的熱導(dǎo)率λ均為聲子熱導(dǎo)率，即聲子導(dǎo)熱貢獻(xiàn)的部分，可通過Debey公式得到
式中，C為聲子比熱容，v為聲子振動(dòng)的平均速度，L為聲子的平均自由程。
在固定溫度下，石墨烯材料具有一定的C和穩(wěn)定的v，因此其熱導(dǎo)率的大小取決于L值。聲子間相互碰撞引起的散射、聲子與晶體的晶界及缺陷等相互作用引起的散射對(duì)L的大小產(chǎn)生明顯的影響。在室溫下，聲子之間的相互作用較弱，可忽略不計(jì)，因此L的大小主要取決于聲子與晶界及缺陷的相互作用。通過制備結(jié)構(gòu)完整、缺陷較少的石墨烯材料，能夠增大其聲子的平均自由程，進(jìn)而提高材料的導(dǎo)熱性能。同時(shí)，Balandin等研究了層數(shù)對(duì)于石墨烯熱導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明當(dāng)石墨烯層數(shù)增加時(shí)，由于聲子相空間中倒逆散射增強(qiáng)，導(dǎo)致石墨烯面內(nèi)熱導(dǎo)率降低。
但在實(shí)際應(yīng)用之前，需要將石墨烯片組裝成石墨烯膜，其層狀結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。石墨烯膜中的石墨烯片層通過范德華力等非鍵作用結(jié)合，因此在膜厚度方向傳熱主要是通過低頻聲子進(jìn)行。聲子在面內(nèi)的傳導(dǎo)受層狀結(jié)構(gòu)影響較小，而在厚度方向上的多重界面散射現(xiàn)象極大阻礙了聲子傳導(dǎo)，從而使石墨烯膜的導(dǎo)熱性能呈各向異性，即面內(nèi)熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于厚度方向的熱導(dǎo)率。
圖2 石墨烯膜微觀結(jié)構(gòu)示意（a）和石墨烯CNTs串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)熱阻模型示意（b）
碳納米管/石墨烯復(fù)合膜——串聯(lián)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型
石墨烯膜和碳納米管（CNTs）的熱導(dǎo)率都具有各向異性，即石墨烯面內(nèi)或CNTs軸向的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于其他方向（約高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)），因此制備三維結(jié)構(gòu)的CNTs/石墨烯復(fù)合膜是使材料在各方向均具備優(yōu)異導(dǎo)熱性能的一種重要方法。CNTs/石墨烯復(fù)合膜內(nèi)部有序的孔洞、互聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其與孔洞的協(xié)同作用是影響復(fù)合膜導(dǎo)熱性能的主要因素。CNTs與石墨烯的連接方式包括非鍵（范德華力）和共價(jià)鍵2種方式。為研究鍵接結(jié)構(gòu)對(duì)CNTs/石墨烯復(fù)合膜厚度方向熱傳導(dǎo)的影響，Shi等構(gòu)建了串聯(lián)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2（b）所示。結(jié)果表明，相比僅有范德華力作用的CNTs/石墨烯復(fù)合膜連接熱阻，共價(jià)鍵連接復(fù)合膜的熱阻降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此CNTs/石墨烯復(fù)合膜厚度方向主要通過共價(jià)鍵連接CNTs進(jìn)行熱傳導(dǎo)。并進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算CNTs/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱阻，計(jì)算值與串聯(lián)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果基本一致。
石墨烯/聚合物三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)
和石墨烯類似，大多數(shù)聚合物導(dǎo)熱方式主要是依賴于聲子振動(dòng)，但由于聚合物以無定形結(jié)構(gòu)為主，導(dǎo)致聚合物具有很低的熱導(dǎo)率。將具有高導(dǎo)熱的石墨烯材料與聚合物復(fù)合是提高聚合物導(dǎo)熱性能的一種重要方法。目前，針對(duì)石墨烯/聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)制的研究涌現(xiàn)出大量的理論成果，包括導(dǎo)熱通路理論、導(dǎo)熱逾滲理論和熱彈性系數(shù)理論（圖3）。其中，導(dǎo)熱通路理論應(yīng)用最為廣泛。在導(dǎo)熱機(jī)制的研究基礎(chǔ)上，石墨烯/聚合物的導(dǎo)熱理論模型近年得以快速發(fā)展，研究者就預(yù)測(cè)石墨烯/聚合物熱導(dǎo)率提出了均勻化法、逾滲理論、傅里葉定律計(jì)算法等。根據(jù)逾滲理論，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率計(jì)算公式為
圖3 石墨烯/聚合物不同導(dǎo)電機(jī)制示意
式中，Kc、Km及Kp分別為復(fù)合材料、石墨烯及聚合物的熱導(dǎo)率，f為石墨烯體積分?jǐn)?shù)，RB為界面熱阻，H為石墨烯片層厚度。
美國加利福尼亞大學(xué)河濱校區(qū)Balandin課題組通過非接觸光學(xué)方法（圖4）測(cè)得室溫下單層石墨烯的導(dǎo)熱性能，面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)5300W/（m·K）；對(duì)2~10層石墨烯的熱導(dǎo)率進(jìn)行進(jìn)一步表征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)層數(shù)由2增到4時(shí)，熱導(dǎo)率從約2800W/（m·K）下降至約1300W/（m·K），但仍遠(yuǎn)高于銅、鋁等金屬的熱導(dǎo)率（約200~400W/（m·K））。由于高面內(nèi)熱導(dǎo)率、超輕質(zhì)（單層石墨烯理論面密度為0.77mg/m2）及優(yōu)異的高溫?zé)犭?、熱聲性能等，石墨烯材料在微電子器件等熱管理領(lǐng)域具有潛在的重要作用。
圖4 共焦顯微鏡拉曼光譜測(cè)試石墨烯熱導(dǎo)率
少層石墨烯——優(yōu)異的面內(nèi)熱導(dǎo)率
英國曼切斯特大學(xué)Geim課題組通過CVD法在光子晶體上生長(zhǎng)單層石墨烯（圖5），發(fā)現(xiàn)在100μW光照條件下，與未覆蓋石墨烯的光子晶體相比，其溫度下降約45℃。上海大學(xué)劉建影課題組將CVD法生長(zhǎng)的單層或多層（6~10層）石墨烯分別覆蓋于集成電路片表面，使集成電路片的局部高溫快速傳導(dǎo)至表面低溫區(qū)，增強(qiáng)了器件的整體散熱效率；在熱流密度高達(dá)430W/cm2時(shí)，單層或多層石墨烯使集成電路片的工作溫度分別降低了13℃和8℃。然而，采用CVD法制備的石墨烯薄膜存在以下缺點(diǎn)：熱導(dǎo)率受層數(shù)和石墨烯片尺寸的影響較大，且制備中的轉(zhuǎn)移過程可能引入雜質(zhì)或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞。因此，雖然少層石墨烯具有優(yōu)異熱導(dǎo)率，但較高的制備成本和超薄厚度限制了其應(yīng)用。
圖5 基于少層石墨烯制備的實(shí)驗(yàn)器件SEM圖
還原氧化石墨烯膜——兼具規(guī)模化生產(chǎn)和厚度
將石墨烯組裝成具有微納效應(yīng)的宏觀尺度結(jié)構(gòu)是其作為熱管理材料應(yīng)用的重要途徑，其中氧化還原法制備還原氧化石墨烯膜（rGO）的應(yīng)用最為廣泛。美國密歇根大學(xué)Drzal課題組通過液相剝離法制備了片徑分別為1μm和15μm的石墨烯薄膜（記為rGO-1和rGO-15），以此研究石墨烯片的尺寸對(duì)薄膜導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，rGO-1具有較多的納米界面，導(dǎo)致其接觸熱阻較大，熱導(dǎo)率僅為22.6W/（m·K）；而rGO-15具有更規(guī)整的片層結(jié)構(gòu)及較低的孔隙率，因此其熱導(dǎo)率比rGO-1提高8倍左右。中國科學(xué)院大學(xué)呂春祥課題組研究了還原溫度對(duì)rGO薄膜熱導(dǎo)率的影響，采用的還原溫度的范圍為800~1200℃。結(jié)果表明，當(dāng)還原溫度從900℃提高至1000℃時(shí)，rGO薄膜的導(dǎo)熱性能將發(fā)生質(zhì)變，熱導(dǎo)率從6.1W/（m·K）顯著提高至862.5W/（m·K）；當(dāng)還原溫度為1200℃時(shí)，rGO薄膜的熱導(dǎo)率進(jìn)一步提高至1043.5W/（m·K）。中國科學(xué)院大學(xué)符顯珠課題組在銅箔基底上制備GO薄膜，并在還原溫度為900℃、Ar/H2體積比例為95∶5的混合氣氛下，對(duì)GO/Cu進(jìn)行還原，獲得熱導(dǎo)率高達(dá)1219W/（m·K）的rGO薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氫氣和銅箔有利于GO還原，在低于1000℃的溫度下即可制備高導(dǎo)熱的rGO薄膜。紐約大學(xué)Koratkar課題組通過靜電紡絲的方法大規(guī)模制備出GO薄膜，經(jīng)過高溫?zé)徇€原或化學(xué)還原，獲得具有高熱導(dǎo)率的rGO薄膜。結(jié)果表明，提高還原溫度有利于制備高導(dǎo)熱的rGO薄膜，當(dāng)熱還原溫度為2850℃時(shí)，薄膜的熱導(dǎo)率高達(dá)1413W/（m·K）；對(duì)rGO薄膜施加不同壓力進(jìn)行致密化處理可獲得不同密度的rGO薄膜（圖6），當(dāng)密度從0.5g/cm3增加至2.1g/cm3，熱導(dǎo)率從173W/（m·K）提高至1413W/（m·K）?？傊?，通過氧化還原法制備的石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率主要受GO片徑尺寸、熱還原溫度等因素影響，是大規(guī)模制備高熱導(dǎo)率（>1000W/（m·K））石墨烯薄膜的重要方法。
圖6 氧化還原法制備的石墨烯薄膜的數(shù)碼照片（a）和截面SEM圖（b）
通過氧化還原法制備的高導(dǎo)熱石墨烯膜已經(jīng)應(yīng)用于飛行器、高性能電子產(chǎn)品的散熱領(lǐng)域。張興麗等研究不同厚度的石墨烯膜作為導(dǎo)熱層已應(yīng)用在某微小飛行器散熱面，當(dāng)石墨烯層鋪設(shè)厚度為0.01mm時(shí)可顯著加速微小飛行器的外板面內(nèi)熱量擴(kuò)散，等溫化程度提升50%，與有限元仿真結(jié)果一致。石墨烯導(dǎo)熱層的引入可有效避免飛行器外板溫度的急劇升高，有利于保障設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著5G時(shí)代的到來，石墨烯膜作為導(dǎo)熱層有望廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板、電腦等設(shè)備。國家工業(yè)和信息化部在2020年指出，石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)，能夠迅速應(yīng)用于高性能、小型化電子設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)。華為等公司已經(jīng)將石墨烯膜導(dǎo)熱層應(yīng)用于華為Mate20X手機(jī)、MatePadPro 5G平板等產(chǎn)品，其中MatePadPro 5G平板的石墨烯導(dǎo)熱層厚度達(dá)到400μm。
碳納米管/石墨烯復(fù)合膜——增強(qiáng)厚度方向熱傳導(dǎo)
作為典型的二維材料，石墨烯膜厚度方向的熱導(dǎo)率比面內(nèi)方向小2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，研究者通過在石墨烯膜層間引入碳納米管等一維結(jié)構(gòu)，構(gòu)建共價(jià)鍵結(jié)合的三維石墨烯復(fù)合膜，以提高復(fù)合膜厚度方向的導(dǎo)熱性能。理論上，單壁碳納米管在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)10000W/（m·K）。但由于雜質(zhì)的存在，單壁CNTs和多壁CNTs熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值比理論值有所降低，但仍分別高達(dá)3500W/（m·K）和3000W/（m·K）。因此，通過具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的CNTs與石墨烯構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，有望提高石墨烯膜厚度方向的導(dǎo)熱性能。
臺(tái)灣成功大學(xué)Hsieh等分別制備了石墨烯膜、CNTs薄膜及石墨烯與CNTs三維復(fù)合膜，對(duì)比研究CNTs對(duì)三維復(fù)合膜導(dǎo)熱性能的影響。面內(nèi)方向熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果分別為CNTs（1526W/（m·K））<石墨烯（1637W/（m·K））
目前，CNTs/石墨烯復(fù)合膜的微觀傳熱機(jī)制依然存在爭(zhēng)議，且難以通過實(shí)驗(yàn)方法直接進(jìn)行表征。借助分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，可以揭示實(shí)驗(yàn)中難以測(cè)量或觀察到的一些物理現(xiàn)象。Shi等構(gòu)建了CNTs/石墨烯復(fù)合膜模型，分別模擬了物理結(jié)合和共價(jià)交聯(lián)對(duì)復(fù)合膜厚度方向熱傳導(dǎo)過程的影響。結(jié)果表明，相比共價(jià)交聯(lián)的CNTs/石墨烯結(jié)構(gòu)，范德華力作用結(jié)合復(fù)合薄膜的熱阻增大約3個(gè)數(shù)量級(jí)；由此可見，復(fù)合薄膜厚度方向的熱傳導(dǎo)主要通過石墨烯與CNTs的共價(jià)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行。Varshney等通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了CNTs的間距和長(zhǎng)度對(duì)CNTs/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率的影響（圖7）。結(jié)果表明，CNTs/石墨烯異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)了對(duì)聲子的散射，從而降低了復(fù)合膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率；隨著CNTs長(zhǎng)度的增加，CNTs-graphene接頭密度得到降低，從而減小了聲子在厚度方向散射的可能性，使厚度方向的熱導(dǎo)率得以提升。總體來說，CNTs/石墨烯復(fù)合薄膜通過發(fā)揮CNTs和石墨烯的協(xié)同增強(qiáng)作用，有望提高復(fù)合薄膜厚度方向和面內(nèi)方向的導(dǎo)熱性能。
圖7 CNTs/石墨烯結(jié)構(gòu)示意
石墨烯復(fù)合膜在航天航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，包括星載雷達(dá)的傳輸/接收組件、衛(wèi)星電耦合相機(jī)的軸向均熱、航天飛行器儀器艙高功率電子器件的熱管理系統(tǒng)等。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛團(tuán)隊(duì)針對(duì)先進(jìn)航天飛行器上封裝的高功率電子器件面內(nèi)和厚度方向的散熱問題展開研究，以GO和CNTs為原料通過真空過濾自組裝以及高溫?zé)徇€原制備了CNTs/石墨烯復(fù)合膜，其面內(nèi)和厚度方向熱導(dǎo)率分別為933.37和6.27W/（m·K）。該復(fù)合膜厚度達(dá)到106μm，是其他導(dǎo)熱膜的3~5倍，是先進(jìn)航天飛行器導(dǎo)熱和電磁屏蔽的理想材料。此外，該團(tuán)隊(duì)制備了熱導(dǎo)率高達(dá)977W/（m·K）的碳纖維/石墨烯導(dǎo)熱膜，其研制的多款型號(hào)石墨烯導(dǎo)熱膜已經(jīng)作為熱管理材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
相變高分子/石墨烯——增強(qiáng)基體熱傳導(dǎo)
聚合物/石墨烯復(fù)合材料正被納入航天熱防護(hù)材料和熱管理領(lǐng)域，對(duì)于提高航天用復(fù)合材料在熱流動(dòng)下的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能具有重要意義。為改善航天用耐燒蝕材料的導(dǎo)熱性能，在石蠟等聚合物基體中引入高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電的石墨烯材料。這些復(fù)合材料可應(yīng)用于高超聲速飛行器前緣的熱保護(hù)系統(tǒng)、火箭噴管和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)施結(jié)構(gòu)。另外，復(fù)合材料固體推進(jìn)劑的導(dǎo)熱問題是導(dǎo)彈、火箭系統(tǒng)安全性與可靠性研究中的重要課題。研究人員通過在推進(jìn)劑基體中添加高導(dǎo)熱石墨烯，提高了推進(jìn)劑的熱導(dǎo)率，不僅促使推進(jìn)劑內(nèi)部熱量快速傳遞，降低內(nèi)部熱應(yīng)力，而且提高了推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒性能。隨著飛行器的飛行速度越來越快和搭載電子儀器性能全面增強(qiáng)，高速飛行器機(jī)體與空氣摩擦將產(chǎn)生大量熱能，在電子儀器設(shè)備中也將產(chǎn)生高密度熱流。為避免飛行器機(jī)體及儀器艙溫度急劇升高，從而保證飛行器的運(yùn)行安全，唐晨龍等通過石墨烯對(duì)相變材料進(jìn)行改性，利用真空抽濾法制備得到石墨烯泡沫，將其作為導(dǎo)熱骨架，填充相變材料制備得到高導(dǎo)熱相變復(fù)合材料，使相變材料熱導(dǎo)率提高至10.17W/（m·K）。
電池是航天飛行器中電子器件的常用構(gòu)件，在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，導(dǎo)致鋰離子電池的工作溫度急劇升高，降低設(shè)備性能。相變材料能通過相變潛熱儲(chǔ)存熱量并保持溫度穩(wěn)定，常用于傳統(tǒng)高功率密度鋰離子電池組的熱管理。然而常用的相變材料熱導(dǎo)率很低，室溫?zé)釋?dǎo)率通常在0.17~0.35W/（m·K），極大限制了相變材料的應(yīng)用。通過在多孔狀的石墨烯泡沫中填充相變高分子制備得到的相變高分子/石墨烯泡沫復(fù)合材料，可以兼具石墨烯泡沫骨架的高導(dǎo)熱性能和相變高分子的吸/儲(chǔ)熱能力。美國加利福尼亞大學(xué)Balandin課題組以石蠟作為固相相變材料，通過與多層石墨烯復(fù)合制備得到石蠟/石墨烯復(fù)合材料，其微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，相比石蠟的熱導(dǎo)率（0.25W/（m·K）），當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，石蠟/石墨烯復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高至45W/（m·K）。上述結(jié)果表明，石墨烯能有效提高相變材料的熱導(dǎo)率，相變高分子/石墨烯復(fù)合材料在高熱流密度熱管理領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。
圖8 石蠟/石墨烯相變復(fù)合材料的數(shù)碼照片（a）和SEM圖（b）
在航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)熱材料的選用要同時(shí)考慮導(dǎo)熱性能和尺寸的要求，表1對(duì)不同石墨烯材料的熱導(dǎo)率和厚度進(jìn)行了歸納和對(duì)比。如圖9所示，GO高溫?zé)徇€原法制備的石墨烯膜厚度為220μm時(shí)，熱導(dǎo)率高達(dá)1070W/（m·K）。結(jié)果表明，聚合物/石墨烯復(fù)合材料和少層石墨烯分別存在熱導(dǎo)率較低、厚度較低的不足，而基于石墨烯氧化還原法可以大規(guī)模制備出具備一定厚度的高導(dǎo)熱石墨烯膜；通過石墨烯膜與碳納米管的共價(jià)交聯(lián)能夠提高膜厚度方向的熱導(dǎo)率，改善厚度導(dǎo)熱性能，有望廣泛應(yīng)用于航天航空熱管理系統(tǒng)。
表1 銅箔及不同石墨烯材料導(dǎo)熱性能與厚度對(duì)比
圖9 不同石墨烯材料導(dǎo)熱性能與厚度的對(duì)比
隨著高速飛行器、微電子器件等設(shè)備性能的不斷提高，散熱已成為影響設(shè)備性能的關(guān)鍵問題之一。由于高比表面積、高載流子遷移率及完美的二維平面晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱性能，且通過與碳納米管共價(jià)交聯(lián)有望改善石墨烯厚度方向的導(dǎo)熱性能，使其在微電子、航空航天、船舶、高功率武器平臺(tái)的熱管理方面具有重大的戰(zhàn)略前沿意義。
目前，氧化還原法是規(guī)?；a(chǎn)高導(dǎo)熱石墨烯材料的重要方法。同時(shí)，研究人員開展了石墨烯材料導(dǎo)熱機(jī)制的研究，結(jié)果表明石墨烯主要通過聲子進(jìn)行熱傳導(dǎo)。針對(duì)石墨烯復(fù)合膜和石墨烯/聚合物，研究人員分別構(gòu)建了串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和導(dǎo)熱逾滲模型，這些導(dǎo)熱模型在一定條件下解釋了石墨烯材料的導(dǎo)熱機(jī)制，但對(duì)石墨烯的導(dǎo)熱機(jī)制并未達(dá)成一致。雖然高導(dǎo)熱石墨烯材料在高速飛行器、微電子器件等熱管理領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但目前仍存在很多亟需解決的問題。例如，如何通過化學(xué)氣相沉積方法制備大尺寸、高品質(zhì)石墨烯薄膜；氧化還原法制備石墨烯時(shí)，如何進(jìn)一步提高薄膜的還原程度，并降低制備過程中形成的缺陷；如何制備尺寸可控、定向生長(zhǎng)的碳納米管/石墨烯復(fù)合薄膜；如何制備結(jié)構(gòu)可控的石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)，并使之與相變高分子復(fù)合，有效提高相變高分子的熱導(dǎo)率。針對(duì)上述問題，通過探索新方法、新工藝、提高性能并降低制備成本，從而推動(dòng)石墨烯材料在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用。
本文作者：林少鋒、石剛、江大志
作者簡(jiǎn)介：林少鋒，國防科技大學(xué)國際關(guān)系學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榧{米復(fù)合材料；江大志（通信作者），國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，教授，研究方向?yàn)榧{米復(fù)合材料和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
來源 | 2D Materials |?Graphene related materials for thermal management
摘要：自從發(fā)現(xiàn)石墨烯是單原子層以來，已經(jīng)過去了近15年。期間已有許多論文發(fā)表證明其高電子遷移率，優(yōu)異的熱、機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)。最近看到石墨烯在商業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多。本文綜述了石墨烯和其他二維基材料的熱性能研究現(xiàn)狀，包括制備和表征技術(shù)及其在電子和功率模塊中的應(yīng)用。從本文中可以明顯看出，石墨烯已經(jīng)滲透市場(chǎng)，并在商業(yè)電子熱管理領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。在本文中，還對(duì)制造工藝的成熟度進(jìn)行了分析，各種表征技術(shù)的準(zhǔn)確性和挑戰(zhàn)是什么？在我們看到這個(gè)令人興奮和迷人的領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用之前，還有哪些問題和問題?
關(guān)鍵詞：石墨烯、二維材料、熱管理、材料制備、熱表征
熱管理和散熱是許多大型電力和熱交換系統(tǒng)中普遍存在的問題。至少在電子系統(tǒng)中已經(jīng)觀察到密集的熱流密度。電子行業(yè)的核心，即半導(dǎo)體行業(yè)自1965年以來一直遵循摩爾定律。在過去的幾十年里，芯片制造商一直在增加縮小尺寸的晶體管數(shù)量，對(duì)高性能的追求極大地增加了集成電路的功耗，這給電子系統(tǒng)的散熱帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，由于量子效應(yīng)的物理限制，摩爾定律已經(jīng)放緩，預(yù)計(jì)很快就會(huì)碰壁。而不是進(jìn)一步小型化的晶體管，多核設(shè)計(jì)已被提出和應(yīng)用，以繼續(xù)適應(yīng)高性能的發(fā)展。這將在一定程度上緩解熱管理方面的壓力，但芯片內(nèi)部不均勻局部過熱的問題仍未解決。例如，在絕緣柵雙極晶體管(IGBT)中，局部熱點(diǎn)的熱流已超過1000 W/cm2，這對(duì)組件的可靠性構(gòu)成了很大的威脅，并將大大縮短其使用壽命。
二維材料是一組具有幾個(gè)原子厚度的層狀結(jié)構(gòu)的材料。最具代表性的二維材料是石墨烯，Novoselov等人首次使用Scotch tape對(duì)其進(jìn)行機(jī)械剝離。石墨烯由碳原子以六邊形晶格鍵合而成，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性能，因此已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界各種應(yīng)用的熱門研究領(lǐng)域之一。例如，理論預(yù)測(cè)石墨烯的電子遷移率為3 × 107?cm2/VS，實(shí)驗(yàn)報(bào)道了化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)的石墨烯的電子遷移率為350000cm2/VS，可以滿足高端電子器件的要求。石墨烯極其堅(jiān)固而又靈活的特性也為許多苛刻的應(yīng)用帶來了希望，如運(yùn)動(dòng)器材，柔性電池，太陽能電池等。隨著石墨烯的興起，其他二維材料在電子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也引起了人們的極大興趣。
在石墨烯和相關(guān)二維材料的獨(dú)特特性中，它們的高導(dǎo)熱性顯示出解決電子系統(tǒng)熱管理挑戰(zhàn)的巨大潛力。以石墨烯為例，Balandin等人使用光熱拉曼技術(shù)對(duì)懸浮石墨烯進(jìn)行了首次測(cè)量(如圖1所示)，結(jié)果顯示，在室溫(RT)下，懸浮石墨的導(dǎo)熱系數(shù)值大大超過了本體石墨的~2000 W/(mK)。獨(dú)立的隨訪測(cè)量證實(shí)了這一結(jié)論。Ruoff等人利用光熱方法在真空和氣體環(huán)境中測(cè)量了不同尺寸的懸浮單層石墨烯，他們發(fā)現(xiàn)在350K附近，其導(dǎo)熱系數(shù)范圍為(2.6±0.9)至(3.1±1.0)× 103?W/(mK)。Yoon等人使用改進(jìn)信噪比的熱顯微鏡測(cè)量無殘基石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)，得到懸浮石墨烯橋在335-366K下的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為2430±190至2100±160 W/(mK)。石墨烯有趣的熱性質(zhì)可以用二維晶格中長(zhǎng)波長(zhǎng)聲子輸運(yùn)的特性來解釋。石墨烯中的長(zhǎng)波聲子具有異常長(zhǎng)的平均自由程，即使熱輸運(yùn)是擴(kuò)散的，也受樣品尺寸的限制。后者可以通過注意到三聲子Umklapp散射不足以恢復(fù)二維晶格中的熱平衡來解釋，而不像在三維晶格中。這種效應(yīng)的一個(gè)含義是，少量層石墨烯的熱導(dǎo)率與樣品中原子面數(shù)的異常依賴
圖1.第一次使用拉曼光熱方法測(cè)量石墨烯的熱導(dǎo)率。
石墨烯優(yōu)異的熱性能及其柔韌性激發(fā)了對(duì)其衍生物的廣泛研究，包括氧化石墨烯、石墨烯薄膜、石墨烯纖維、石墨烯泡沫、石墨烯層壓板、石墨烯熱界面材料(TIMs)等，用于熱管理應(yīng)用。以石墨烯及其衍生物作為填料的各種復(fù)合材料已經(jīng)被開發(fā)出來。液相剝離(LPE)石墨烯和少層石墨烯薄片的混合物在導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱相變材料中作為填料表現(xiàn)優(yōu)異。石墨烯由于其與基體材料良好的熱耦合性和較低的成本，是熱復(fù)合材料中比碳納米管(CNTs)更好的填料。由懸浮液中剝離的石墨烯薄片制備的米級(jí)石墨烯薄膜具有優(yōu)異的熱性能，并顯示出作為導(dǎo)熱材料的巨大潛力。
另一種很有希望用于熱管理的二維材料是氮化硼(BN)，它的晶格與石墨烯相似，但硼和氮化硼原子交替排列在六邊形結(jié)構(gòu)(hBN)中。理論上，hBN具有高達(dá)1700-2000 W/(mK)的高導(dǎo)熱系數(shù)，因此它被用于開發(fā)TIMs和散熱器。更重要的是，hBN是一種電絕緣材料，這使得它成為石墨烯及其衍生物在不允許導(dǎo)電的情況下的重要戰(zhàn)略和非常好的補(bǔ)充。
在本文中，我們將回顧使用石墨烯基材料以及其他二維材料(如hBN)進(jìn)行熱管理的最新進(jìn)展。首先簡(jiǎn)要介紹傳熱的基本機(jī)理。之后，將詳細(xì)回顧和總結(jié)用于熱管理應(yīng)用的各種石墨烯基材料，包括其衍生物和相關(guān)的二維材料。對(duì)熱管理材料性能的理論分析進(jìn)行比較和總結(jié)，以了解二維材料系統(tǒng)中的聲子和熱輸運(yùn)。此外，還將介紹用于這些材料的不同熱表征方法，并對(duì)其優(yōu)點(diǎn)和局限性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行總結(jié)和評(píng)論。在本綜述的最后，將討論和評(píng)論使用石墨烯和其他二維材料進(jìn)行熱管理的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
熱傳導(dǎo)是通過物質(zhì)中微觀粒子的碰撞和熱載體的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。在材料中，熱傳導(dǎo)受傅里葉定律支配，如下所示:
其中q為局部熱流密度，單位為W/m2;k為材料導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(mK);?T為局部溫度梯度，單位為K/m。傅里葉定律描述了熱量在材料中從高溫區(qū)域傳導(dǎo)到低溫區(qū)域的效率。然而，在電子產(chǎn)品的熱管理中，熱量必須通過不同的材料通過接觸界面?zhèn)鲗?dǎo)，熱阻通常用于評(píng)估熱傳遞的效率，因?yàn)樗歉郊拥模阌跍y(cè)量。熱阻計(jì)算公式為:
?T為兩個(gè)表面之間的溫差(K)， Q為兩個(gè)表面之間傳導(dǎo)的熱能(W)?？偀嶙鑂由材料沿?zé)醾鲗?dǎo)路徑的熱阻和兩種不同材料界面處的接觸電阻組成，前者取決于材料的導(dǎo)熱性和厚度，后者取決于粘合壓力、表面粗糙度、表面清潔度等諸多因素。為了改善從電子系統(tǒng)到環(huán)境的散熱，需要材料的高導(dǎo)熱性、小材料厚度和材料界面的有效相互作用。與在特定應(yīng)用中可以設(shè)計(jì)的材料厚度和界面條件不同，導(dǎo)熱性是依賴于電子和聲子輸運(yùn)的材料的固有特性。在自由電子有限的二維材料中，熱傳導(dǎo)主要由聲子控制。我們還注意到，由于二維材料的原子結(jié)構(gòu)各向異性，其導(dǎo)熱性在不同方向上變化很大。在x-y平面上，原子通過共價(jià)鍵相互作用，因此面內(nèi)熱導(dǎo)率很高，而在z方向上，范德華力(非常弱)支配著層間相互作用，因此二維材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率通常很低。
2.1 石墨烯基散熱器
在電子系統(tǒng)的熱管理中，散熱器起著關(guān)鍵作用。它使熱交換組件的表面積比原始表面大得多，因此大大促進(jìn)了電子系統(tǒng)的散熱和冷卻效果。傳統(tǒng)的散熱器通常由鋁和銅等相當(dāng)重的金屬制成。石墨烯的二維結(jié)構(gòu)和巨大的表面體積比使其及其相關(guān)的二維材料成為理想的散熱材料。
2.1.1 基于單層和多層石墨烯的散熱器
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，脫落和懸浮石墨烯的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2000-5300 W/(mK)。該數(shù)值與碳納米管相當(dāng)，也高于石墨和金剛石所報(bào)道的數(shù)值。Balandin等人展示了第一個(gè)基于石墨烯的散熱片，該散熱片使用從高取向熱解石墨(HOPG)中機(jī)械剝離的幾層石墨烯。石墨烯-石墨層首先被剝離，然后轉(zhuǎn)移到SiC襯底上，以冷卻高功率GaN晶體管，如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)晶體管工作在~13 W/mm時(shí)，熱點(diǎn)溫度可降低~20°C，熱密度約為250 W/cm2。這表明石墨烯增強(qiáng)結(jié)構(gòu)作為熱點(diǎn)可以將器件的壽命延長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2.石墨烯用作AlGaN/GaN場(chǎng)效應(yīng)管的散熱片。
? ? ? ? 模擬結(jié)果表明石墨烯散熱器的效率取決于器件的結(jié)構(gòu)和幾何形狀。Gao等人使用CVD方法生長(zhǎng)單層和多層石墨烯作為散熱器。研究發(fā)現(xiàn)，在硅片上熱流密度為430 W/cm2的熱點(diǎn)，單層石墨烯作為散熱片可將熱點(diǎn)冷卻~13℃(從121℃降至108℃)，而多層石墨烯只能將熱點(diǎn)冷卻~8℃。這是由于在鎳箔上生長(zhǎng)的石墨烯比在銅箔上生長(zhǎng)的石墨烯晶粒尺寸小，這導(dǎo)致了更多的晶界，從而降低了石墨烯材料的熱性能。Bae等人使用Ni表面生長(zhǎng)的多層石墨烯作為柔性襯底上的散熱片。結(jié)果表明，石墨烯基導(dǎo)熱片比金基導(dǎo)熱片在襯底上的溫度分布更加均勻。Shih等人使用CVD法生長(zhǎng)的單層石墨烯來冷卻光子晶體(PhC)腔。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在100 μ W的光功率下，石墨烯散熱片可以將PhC腔降低45K。Lee等人還將CVD石墨烯應(yīng)用于冷卻GaAs/InGaAs/InGaP集電極上異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，觀察到熱阻降低30%。
表1.GFs材料制備工藝與熱性能的比較。
與機(jī)械剝離石墨烯相比，CVD法生長(zhǎng)石墨烯的方法越來越成熟，因此CVD石墨烯散熱器表現(xiàn)出更好的工藝可擴(kuò)展性和兼容性。另一方面，用CVD方法合成的石墨烯在其晶體結(jié)構(gòu)中含有更多的缺陷和晶界(即疇尺寸小得多)，因此與機(jī)械剝離的石墨烯相比，其導(dǎo)熱性更低。Lee等人報(bào)道，當(dāng)平均晶粒尺寸分別為4.1、2.2和0.5μm時(shí)，懸浮CVD石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)分別約為2660、1890和680W/(mK) ，顯示出熱導(dǎo)率與石墨烯晶粒尺寸有明顯的相關(guān)性。此外，擬合數(shù)據(jù)顯示，懸浮單晶石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)約為5500 W/(mK)，非常接近機(jī)械剝離的石墨烯。
近年來材料合成的進(jìn)展正在解決CVD生長(zhǎng)石墨烯晶體缺陷的局限性。近年來化學(xué)氣相沉積石墨烯的研究取得了很大的進(jìn)展，有報(bào)道稱已經(jīng)制備出了大晶粒至晶圓級(jí)的單晶石墨烯。如Lee等人在Ge襯底上成功生長(zhǎng)出無褶皺的單晶單層石墨烯，如圖3所示。由于石墨烯與其下的Ge表面之間的相互作用非常弱，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的無蝕刻干轉(zhuǎn)移，這使得循環(huán)利用Ge襯底來持續(xù)生長(zhǎng)石墨烯成為可能。這種方法需要復(fù)雜的襯底制備，例如，單晶Ge襯底必須在硅襯底上外延生長(zhǎng)，然后才能生長(zhǎng)石墨烯。最近，大單晶石墨烯的快速生長(zhǎng)得到了報(bào)道。
圖3.在鍺表面生長(zhǎng)的單晶單層石墨烯。
例如，Wu等在CuNi合金襯底上實(shí)現(xiàn)了英寸大小的單晶石墨烯的快速生長(zhǎng)，在單個(gè)成核位點(diǎn)局部引入碳前驅(qū)體，2.5h即可生長(zhǎng)出1.5英寸大小的石墨烯單層。Lin等人也報(bào)道了具有增強(qiáng)光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能的超清潔石墨烯的生長(zhǎng)。CVD技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了石墨烯散熱器的實(shí)際應(yīng)用。然而，CVD石墨烯在工業(yè)規(guī)模上的處理、工藝兼容性以及單層和少層石墨烯所能傳導(dǎo)的總熱能有限等挑戰(zhàn)仍然是CVD石墨烯在工業(yè)上作為散熱器應(yīng)用之前需要克服的障礙。
2.1.2 石墨烯薄膜散熱器
雖然懸浮石墨烯在室溫下的熱導(dǎo)率非常高，但當(dāng)石墨烯與襯底接觸時(shí)，其面內(nèi)熱導(dǎo)率顯著降低。例如，由于聲子耦合和散射，在RT下，非晶二氧化硅(SiO2)上負(fù)載的單層石墨烯(SLG)的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為~600 W/(mK)。由于上述局限性，石墨烯薄膜(GFs)由化學(xué)或熱剝離的石墨烯片組裝而成，成為一種新的散熱材料。
許多不同的裝配工藝已經(jīng)開發(fā)出來，如真空過濾，靜電紡絲，濕紡法，浸涂，噴墨印刷和旋涂層。石墨烯或氧化石墨烯(GO)薄片的組裝機(jī)制是基于薄片之間不同的物理和化學(xué)相互作用，如范德華力和氫鍵。在薄片組裝過程中，單個(gè)顆粒可以自發(fā)或被動(dòng)地排列，形成定向良好的層結(jié)構(gòu)。例如，氧化石墨烯懸浮液的蒸發(fā)使氧化石墨烯在氣液界面由隨機(jī)變?yōu)橐壕В瑸樾纬杀∧そY(jié)構(gòu)提供了動(dòng)力。根據(jù)不同的制造方法，已報(bào)道的GFs熱性能差異很大。從表1可以看出，大多數(shù)制備的石墨烯的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)值都在1500 W/(mK)以下，遠(yuǎn)低于工業(yè)熱解石墨片(PGS)的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)值，其最高值為1950 W/(mK)。
GF的導(dǎo)熱性差與原子和微觀結(jié)構(gòu)缺陷密切相關(guān)。先前的研究表明，石墨烯中的熱傳導(dǎo)本質(zhì)上是由sp2鍵合六方碳晶格內(nèi)的聲子輸運(yùn)控制的。分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬表明，當(dāng)氧含量為5%時(shí)，石墨烯的導(dǎo)熱性可降低90%。因此，高結(jié)晶度和大晶粒尺寸的石墨烯對(duì)于實(shí)現(xiàn)沿平面方向具有出色導(dǎo)熱性的GFs至關(guān)重要。為了優(yōu)化石墨烯的結(jié)晶度，已經(jīng)報(bào)道了不同的方法，包括化學(xué)和熱還原來去除材料中的氧氣，用不同的化學(xué)還原劑處理GFs。在1300℃的炭化溫度和2200℃的石墨化溫度下的熱退火也有還原的報(bào)道。GFs的質(zhì)量因還原過程的不同而有很大差異。人們普遍認(rèn)為，2000°C以上的高溫退火可以使石墨烯材料的缺陷愈合并提高結(jié)晶度。通過控制石墨化溫度和壓力，可以獲得與PGS相似的導(dǎo)熱系數(shù)。盡管高溫退火有許多優(yōu)點(diǎn)，但在GF退火過程中也存在一些需要解決的問題。例如，氧基團(tuán)的分解導(dǎo)致CO2或CO氣體的形成，這可以增加層距，甚至形成氣穴(如圖4所示)，從而降低石墨烯薄片在薄膜中的排列。
圖4.GFs的制備工藝。
目前，高溫退火GFs與PGS相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。為了進(jìn)一步提高GFs的導(dǎo)熱性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化變得非常重要，例如改善晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)良好的取向，制造大而光滑的結(jié)構(gòu)以及降低層間結(jié)合能。最近的一項(xiàng)研究得出結(jié)論，晶粒尺寸從~200nm增加到~10μm會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)從~610增加到~5230W/(mK)。大的晶粒尺寸極大地有利于低頻彈道聲子在晶粒內(nèi)部的傳遞以及它們?cè)诰Ы缟系牧己猛干渎?，從而?dǎo)致GF具有超高的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。GFs的熱導(dǎo)率也取決于石墨烯層在通平面方向的晶格結(jié)構(gòu)。石墨烯層間聲子界面散射是提高石墨烯導(dǎo)熱性能的主要障礙。已有研究表明，將石墨的排列順序從AB-Bernal堆疊石墨烯改變?yōu)闇u層堆疊石墨烯，會(huì)導(dǎo)致層間結(jié)合能明顯降低，從而顯著降低聲子界面散射，有利于面內(nèi)方向的傳熱。最近的一項(xiàng)研究證實(shí)了這一理論，并表明在37%的渦輪層積石墨烯的存在下，GFs的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高到3200W/(mK)。
此外，與PGS的制造相比，GFs的組裝方法為膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。例如，商用PGS的厚度限制在10-100 μm，這給客戶的選擇更少。對(duì)于GFs，可以很容易地實(shí)現(xiàn)從幾百納米到毫米的不同厚度，這可以滿足從微電子到軍事和空間探索等不同應(yīng)用的各種要求。此外，隨著薄膜厚度的增加，商用PGS的密度逐漸降低。先前關(guān)于聚酰亞胺(PI)熱解過程的研究也報(bào)道，在厚PGS(大于25μm)的情況下，由于曲率和層錯(cuò)配的增加，石墨層織構(gòu)的取向變得更差。因此，當(dāng)膜密度達(dá)到2.1g/cm3時(shí)，工業(yè)上制造的PGS厚度通常限制在25μm以內(nèi)，以獲得取向良好的石墨層織構(gòu)。與PGS不同的是，GFs是由單個(gè)氧化石墨烯薄片預(yù)組裝而成的，并且在水平方向上具有更好的取向。因此，厚度的增加不會(huì)導(dǎo)致GFs中層錯(cuò)配的增加。當(dāng)石墨烯厚度大于25μm時(shí)，石墨烯取向良好的石墨烯層結(jié)構(gòu)和高密度使得石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)大大高于PGS。
是否可以進(jìn)一步提高石墨烯薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)，使其達(dá)到更高的值是仍然需要解決的科學(xué)問題。理論研究表明，在完美且無缺陷的結(jié)構(gòu)下，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)可以接近10000W/(mK)。通過控制渦層狀態(tài)、無缺陷、無皺紋、排列良好的結(jié)構(gòu)以及大晶粒尺寸目前是推動(dòng)石墨烯薄膜導(dǎo)熱性優(yōu)化的正確策略。
2.1.2 LPE石墨烯薄膜散熱器
液相剝離（LPE）是對(duì)膠帶輔助機(jī)械剝離、CVD和升華方法的一種非常重要的補(bǔ)充
懸浮形式的石墨烯。該方法從石墨顆粒開始，允許以低成本大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯。因此，它具有許多應(yīng)用前景，包括涂料，復(fù)合材料，油墨，纖維，散熱材料等。LPE工藝有兩種類型，一種是純機(jī)械剝離，在液體中使用剪切力或名義力，例如通過超聲，克服石墨中的范德華力，直接產(chǎn)生原始的石墨烯薄片。另一種方法涉及剝離過程中的化學(xué)反應(yīng)，即石墨顆粒首先膨脹和氧化，然后剝離以產(chǎn)生氧化石墨烯懸浮液，該懸浮液隨后可被還原生成所謂的還原氧化石墨烯(rGO)。目前報(bào)道的大多數(shù)LPE工藝都源于 Hummers 方法，并進(jìn)行了修改，如使用不同的氧化劑和溫度，使生產(chǎn)過程更安全，更環(huán)保。與純液體機(jī)械剝落法相比，還原氧化石墨烯片制備石墨烯具有橫向尺寸大、分散性好、工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，但石墨烯晶格缺陷較多，石墨烯材料雜質(zhì)較多。
基于LPE石墨烯的散熱器已經(jīng)被證明可以冷卻高達(dá)1750 W/cm2的熱點(diǎn)。Zhang等人采用真空過濾和滴涂?jī)煞N方法從純機(jī)械LPE石墨烯懸浮液中制備石墨烯薄膜作為散熱片。測(cè)量結(jié)果表明，由于石墨烯晶體的缺陷和石墨烯薄片之間巨大的接觸電阻，液滴涂覆石墨烯薄膜的平面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為110 W/(mK)，遠(yuǎn)低于膠帶剝落石墨烯薄膜。使用真空過濾石墨烯散熱器和液滴涂覆石墨烯散熱器在熱點(diǎn)處分別檢測(cè)到溫度下降6°C和4°C。有限元模擬結(jié)果表明，石墨烯薄片在散熱片內(nèi)的排列方向和石墨烯與芯片表面的熱邊界阻是決定散熱片性能的關(guān)鍵參數(shù)。
Han等人使用嵌入氧化石墨烯模式也觀察到GaN發(fā)光二極管(led)的散熱性能得到改善。首先將氧化石墨烯分散體涂覆在藍(lán)寶石襯底上，然后在1100℃下用氫氣熱還原。然后用光刻法對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行圖像化，并通過外延生長(zhǎng)在其上生長(zhǎng)GaN層。在這一步之后，LED結(jié)構(gòu)被制造出來，因此圖案化的氧化石墨烯被嵌入到下面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，rGO嵌入式LED的芯片表面峰值溫度比常規(guī)LED低約5℃，如圖5所示。
圖5.芯片表面紅外圖像。
? ? ? ? LPE石墨烯散熱器的熱性能取決于幾個(gè)因素。首先，分散劑和其他成分的存在往往會(huì)降低薄膜的性能。其次，單個(gè)石墨烯片在薄膜中的排列對(duì)薄膜的性能起著重要的決定作用。研究表明，通過過濾，高度排列的石墨烯薄膜表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性熱導(dǎo)率，即面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為120W/(mK)，而面外導(dǎo)熱系數(shù)為0.5-2W/(mK)。最后但并非最不重要的因素是石墨烯薄片的橫向尺寸。研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)隨薄片尺寸的增大而線性增加，表明熱傳導(dǎo)主要受薄片邊界的限制。因此，只要氧化石墨烯薄片轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的石墨烯，就有可能從氧化石墨烯懸浮液中制備高性能的石墨烯薄膜作為導(dǎo)熱材料。已有多次報(bào)道，通過1700℃至3000℃的超高溫退火，可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的完全還原和石墨烯晶格恢復(fù)。先前的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，溶液處理的氧化石墨烯薄膜經(jīng)過2850℃退火和機(jī)械壓制后，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1400 W/(mK)，這顯示了散熱應(yīng)用的巨大潛力。
2.2 石墨烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料
石墨烯獨(dú)特的導(dǎo)熱性能激發(fā)了石墨烯和FLG在TIM、熱復(fù)合材料和涂層中的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)石墨烯復(fù)合材料的初步研究發(fā)現(xiàn)，即使少量的隨機(jī)石墨烯填料也能提高環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。石墨烯熱復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差異源于制備方法、基體材料、石墨烯質(zhì)量、石墨烯填料橫向尺寸和厚度等因素的差異。早期對(duì)石墨烯填料熱復(fù)合材料的研究大多局限于填料的低負(fù)荷組分，f < 10vol%。最近，由于技術(shù)的發(fā)展和成本的大幅降低，石墨烯的大負(fù)荷復(fù)合材料出現(xiàn)了，情況發(fā)生了變化(見圖6)。
圖6.光學(xué)圖像和微觀形貌。
從基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用的角度來看，具有高負(fù)載分?jǐn)?shù)的石墨烯或FLG填料的復(fù)合材料的熱性能非常有趣。高負(fù)荷導(dǎo)致了復(fù)合材料高的熱滲流。與電滲流相比，熱滲流是一種鮮為人知的現(xiàn)象。電滲流用標(biāo)度律σ ~ (f?fE) t來描述，其中σ為復(fù)合材料的電導(dǎo)率，f為填料加載體積分?jǐn)?shù)，fE為填料在電滲流閾值處的加載分?jǐn)?shù)，t為臨界指數(shù)。與電導(dǎo)率不同，在大多數(shù)情況下，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性不會(huì)隨著加載分?jǐn)?shù)的增加而顯示出明顯的變化。利用填料優(yōu)化控制石墨烯復(fù)合材料中的電和熱滲透，并可能將石墨烯與其他電絕緣二維填料(如六方氮化硼(h-BN))結(jié)合，仍然是石墨烯熱復(fù)合材料進(jìn)一步發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。
研究具有高石墨烯負(fù)載的復(fù)合材料具有很強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)機(jī)，例如用于電子器件散熱的更好的TIMs。市面上體積導(dǎo)熱系數(shù)低于5W/(mK)的TIMs已不能滿足行業(yè)要求。具有高石墨烯負(fù)載的復(fù)合材料具有提供高導(dǎo)熱性的潛力。最近的技術(shù)發(fā)展表明，LPE石墨烯可以大量低成本生產(chǎn)。氧化石墨烯(GO)的還原方法已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。這些發(fā)展使得石墨烯填料甚至適用于具有高負(fù)載分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道了石墨烯和h-BN的高負(fù)載(高達(dá)f = 45vol.%)復(fù)合材料的熱性能。為了確定二維填充材料復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的總體趨勢(shì)，我們將電絕緣h-BN與石墨烯進(jìn)行了比較(見圖7)。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯復(fù)合材料中的熱滲流發(fā)生在比電滲流更高的負(fù)載下。石墨烯環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)超過~12.5 W/(mK)，高于市售的TIMs。
圖7.熱導(dǎo)率增強(qiáng)與填充負(fù)載率的關(guān)系。
此外，石墨烯復(fù)合材料作為散熱材料也顯示出巨大的潛力。傳統(tǒng)的散熱器是由銅或鋁等金屬制成的，帶有翅片以增加其表面積。然而，碳基散熱器因其重量輕、各向異性和高導(dǎo)熱性而受到人們的廣泛關(guān)注。石墨作為散熱器材料的歷史由來已久。2003年，Norley等人提出制造各向同性可控的石墨基散熱器。在他們的設(shè)計(jì)中，平整且定向良好的石墨片被粘合在一起制備成石墨基散熱器。結(jié)果表明，該石墨散熱器在水平方向上的導(dǎo)熱系數(shù)高于垂直方向。Getz等人基于類似的概念制作了由不同尺寸的石墨片制成的散熱器。近年來，人們對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料的散熱性能進(jìn)行了研究。Wu等人利用Cu納米顆粒包覆石墨烯片，在50℃下制備了導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1912 W/(mK)的復(fù)合薄膜。模擬結(jié)果表明，石墨烯/Cu復(fù)合薄膜比Cu和石墨烯薄膜具有更高效的熱傳遞能力。Wai等人開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的機(jī)械解理方法來合成石墨烯納米片和石墨烯納米片/Cu (GN/Cu)復(fù)合薄膜。由這種GN/Cu復(fù)合薄膜制成的散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2142 W/(mK)，與石墨烯片散熱器相比增加了26%。Lu等人在鋁散熱器上涂覆了1900nm的石墨烯片，在1.8 W/cm的熱通量下，與未涂覆的散熱器相比，溫度降低了7°C。石墨烯/石墨基散熱器能夠控制不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)，這為優(yōu)先傳熱提供了可能。
2.3 石墨烯纖維
與石墨烯薄膜類似，石墨烯纖維是由還原氧化石墨烯片的互鎖層組成的宏觀組裝結(jié)構(gòu)。到目前為止，人們主要研究它們的機(jī)械和電氣性能，用于取代碳纖維和在智能紡織品中的應(yīng)用。然而，它們?cè)跓釕?yīng)用中也有很大的應(yīng)用前景。氧化石墨烯(GO)纖維可以通過將液晶氧化石墨烯分散體放入混凝劑中通過濕紡來制備。然后將組裝好的氧化石墨烯纖維還原成石墨烯纖維，并可能進(jìn)行退火。該工藝在氧化石墨烯分散、混凝液體、紡絲設(shè)置、還原過程和退火過程中都有過多的參數(shù)，這使得石墨烯纖維性能具有非常高的可變性，并且有可能進(jìn)一步優(yōu)化性能。濕紡絲制造路線具有高度可擴(kuò)展性，每個(gè)噴嘴的紡絲速度可能達(dá)到每小時(shí)數(shù)公里，這為大規(guī)模應(yīng)用于聚合物基質(zhì)中的填料或柔性電子或紡織品中的獨(dú)立結(jié)構(gòu)提供了可能性。針對(duì)這些應(yīng)用，Li等人展示了一種由熔融石墨烯纖維制成的柔性多孔無紡布，其面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為301.5 W/(mK)，密度為0.22 g/cm3，如圖8所示。
圖8.制備的氧化石墨烯纖維織物(GOFFs)和石墨烯纖維織物(GFFs)的濕熔組裝機(jī)理和形態(tài)。
2.4 石墨烯復(fù)合材料
石墨烯層疊板已被證明用于表面保護(hù)、海水淡化、氣體不滲透屏障和電磁干擾屏蔽。但是石墨烯層壓板在熱涂層中的應(yīng)用越來越受歡迎。通常，在石墨烯層壓板中，石墨烯沉積在各種襯底上，包括聚合物(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET))和金屬(銅，鋁)。在石墨烯層壓板中，石墨烯片通過粘合劑或范德華力結(jié)合在一起。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了幾種簡(jiǎn)單的石墨烯層壓板制造技術(shù)，包括CVD、滴鑄、旋涂、噴涂和浸涂。通過涂覆石墨烯來制造層壓板結(jié)構(gòu)，塑料襯底的導(dǎo)熱系數(shù)提高了600倍，銅薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)提高了24%(圖9)。
圖9.石墨烯層壓板。
2.5 石墨烯復(fù)合材料
2.5.1 石墨烯泡沫
石墨烯泡沫由石墨烯組裝成多孔的宏觀泡沫狀結(jié)構(gòu)。泡沫的多孔性使得石墨烯泡沫的有效導(dǎo)熱系數(shù)非常低，在固體濃度約為0.45 vol%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.26至1.7 W/(mK)。盡管如此，石墨烯泡沫表現(xiàn)出接近金屬泡沫的導(dǎo)熱性，其孔隙度更高一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，石墨烯泡沫具有非常高的可壓縮性，使其對(duì)TIM應(yīng)用具有吸引力。石墨烯泡沫主要通過石墨烯CVD在Ni泡沫上合成，隨后蝕刻N(yùn)i模板，留下獨(dú)立的石墨烯結(jié)構(gòu)。通過冷凍鑄造或水熱還原氧化石墨烯懸浮液也可以形成類似的結(jié)構(gòu)。作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，石墨烯泡沫和石墨烯/碳納米管氣凝膠已被證明可用于TIM應(yīng)用，壓縮石墨烯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)約為88 W/(mK)(圖12)，并且在非常低的壓力下具有低熱界面阻力[179]。使用h-BN也證明了類似的結(jié)構(gòu)，壓縮h-BN泡沫的平面導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)62 W/(mK)。石墨烯和h-BN泡沫都可以滲透形成聚合物復(fù)合材料。等人創(chuàng)建了垂直排列的石墨烯泡沫環(huán)氧復(fù)合材料，在石墨烯負(fù)載分?jǐn)?shù)為19 vol%時(shí)，其通平面導(dǎo)熱系數(shù)為35.5 W/(mK)，顯著高于隨機(jī)分散的石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料。最近，Zhamu等人通過無化學(xué)物質(zhì)的方法合成了一種高彈性和彈性的石墨烯泡沫。這種石墨烯-碳混合泡沫顯示出作為散熱器的超級(jí)有效的潛在應(yīng)用
圖9.石墨烯泡沫。
2.5.2 定向排列的石墨烯片
石墨烯片具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱性，但由于其低的通面導(dǎo)熱性，通常局限于熱擴(kuò)散應(yīng)用。一種潛在的解決方案是將多個(gè)石墨烯片堆疊成塊狀材料，可用于TIM和其他熱應(yīng)用。Liang等人引入了這一概念，創(chuàng)造了一種通平面導(dǎo)熱系數(shù)為112 W/(mK)的材料。將石墨烯薄膜與焊料或聚合物堆疊并粘合在一起，然后垂直于導(dǎo)熱軸切割成薄片，適用于TIM。Zhang等人和Wang等人進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化了這一概念，導(dǎo)熱系數(shù)分別為615 W/(mK)和1379 W/(mK)。與傳統(tǒng)TIM相比具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)電性甚至高于散熱器材料，從而消除了具有厚粘合線的TIM的缺點(diǎn)。相反，TIM和連接表面之間的熱接觸熱阻是限制因素，而不是熱導(dǎo)率。事實(shí)上，正如Wang等人所看到的，整體性能主要取決于觸點(diǎn)，通過與薄銦層的結(jié)合，其性能可以與薄焊點(diǎn)相媲美，同時(shí)保持良好的柔韌性和厚度，這對(duì)于填補(bǔ)間隙的應(yīng)用至關(guān)重要。
到目前為止，已經(jīng)有一些應(yīng)用證明使用石墨烯和相關(guān)的二維材料在商業(yè)產(chǎn)品上進(jìn)行熱管理。例如，石墨烯被用于涂覆LED燈絲，據(jù)稱石墨烯可以促進(jìn)LED燈泡的散熱，從而延長(zhǎng)LED的使用壽命并提高效率?；谑┑纳崞骺梢蕴峁┎煌暮穸龋瑥?0μm到100μm，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)3200 W/(mK)。此外，垂直排列的石墨烯基TIM可在Z方向上提供高達(dá)1000 W/(mK)的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，據(jù)稱可以提供導(dǎo)熱系數(shù)>10 W/(mK)的石墨烯基導(dǎo)熱脂。石墨烯薄膜的真正商業(yè)應(yīng)用似乎是在Mate 20手機(jī)上。石墨烯組裝膜可以有效地降低感知溫度。為了進(jìn)一步降低溫度，需要大幅度提高石墨烯薄膜的質(zhì)量。
組分優(yōu)化和微觀結(jié)構(gòu)改造是提高復(fù)合材料力學(xué)和保溫性能、促進(jìn)復(fù)合材料功能化和產(chǎn)業(yè)化的最有效和最具說服力的策略。高質(zhì)量二維材料的大規(guī)模生產(chǎn)一直被認(rèn)為是其工業(yè)應(yīng)用的主要障礙。由于對(duì)石墨烯和相關(guān)二維材料的強(qiáng)烈興趣，在過去的幾年里，二維材料的生產(chǎn)取得了很大的進(jìn)展。利用CVD法制備大面積連續(xù)石墨烯，研制了卷對(duì)卷系統(tǒng)。LPE方法使得大量生產(chǎn)石墨烯和其他二維材料的成本低廉，這使得石墨烯和相關(guān)二維材料作為復(fù)合材料的填料，以及石墨烯和BN薄膜作為散熱器成為現(xiàn)實(shí)。這些使能技術(shù)為二維材料在工業(yè)中的熱管理應(yīng)用鋪平了道路。本文對(duì)石墨烯和其他二維材料從科學(xué)到工程再到最終應(yīng)用的各個(gè)方面的現(xiàn)狀進(jìn)行了批判性的分析和總結(jié)。希望它能引發(fā)進(jìn)一步的科學(xué)研究，并在這一領(lǐng)域開發(fā)更多的商業(yè)應(yīng)用。
「導(dǎo)熱散熱展」翻譯
樣品制備已成為冷凍電鏡技術(shù)解析生物樣品高分辨率結(jié)構(gòu)的主要限速步驟。在這個(gè)過程中，氣液界面效應(yīng)、背景噪音和優(yōu)勢(shì)取向等問題可能導(dǎo)致冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析失敗，或者重復(fù)性較差。石墨烯，因其低背景噪音、高機(jī)械強(qiáng)度和高導(dǎo)電性等出色特性，被用作冷凍電鏡樣品制備支撐膜以提升樣品質(zhì)量。
2024年1月22日，清華大學(xué)/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心王宏偉課題組和北京大學(xué)彭海琳課題組合作開發(fā)了一種基于石墨烯“三明治” 結(jié)構(gòu)的冷凍電鏡生物樣品制備方法，以“石墨烯三明治技術(shù)用以生物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析”（Graphene sandwich-based biological specimen preparation for cryo-EM analysis）為題發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）期刊。該研究通過在兩層石墨烯間封裝生物樣品溶液，制備冰層厚度適宜的石墨烯“三明治”樣品（圖1），用以高分辨冷凍電鏡重構(gòu)。
常規(guī)石墨烯膜制備冷凍電鏡樣品的方法能夠增加顆粒吸附，減輕氣液界面帶來的干擾。然而，石墨烯支持膜僅存在于冰層一側(cè)，不能消除另一側(cè)氣液界面對(duì)樣品的影響；并且在支撐膜親水性不佳時(shí)，容易出現(xiàn)樣品脫水的現(xiàn)象（圖1A）。為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種石墨烯“三明治”技術(shù)，在生物樣品溶液兩側(cè)都鋪設(shè)石墨烯支持膜，對(duì)生物樣品進(jìn)行封裝，進(jìn)而制備冷凍電鏡樣品，從而徹底避免氣液界面等問題的影響（圖1B）。
圖1. 采用石墨烯作為支持膜的冷凍電鏡樣品制備示意圖
在制備石墨烯“三明治”樣品的過程中，先將生物樣品溶液滴加到石墨烯電鏡載網(wǎng)上，然后再將另一層石墨烯轉(zhuǎn)移覆蓋至上述載網(wǎng)表面。為解決上層石墨烯易于卷曲破碎而不便轉(zhuǎn)移的問題，研究團(tuán)隊(duì)采用硬脂酸分子輔助石墨烯自支撐地懸浮在緩沖液表面，后將其轉(zhuǎn)移至滴加樣品溶液的石墨烯載網(wǎng)上。這種方法能夠高成功率、高重復(fù)率地實(shí)現(xiàn)石墨烯“三明治”結(jié)構(gòu)封裝樣品溶液。
和常規(guī)單側(cè)石墨烯膜支撐的冷凍樣品相比（圖1a），這種石墨烯“三明治”結(jié)構(gòu)有助于補(bǔ)償因電子束照射而損失的二次電子，減小冷凍樣品在透射電鏡下的電荷積累效應(yīng)。并且，由于石墨烯優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，該方法還可以有效防止冰層形變，降低電鏡成像過程中的顆粒漂移，從而進(jìn)一步提高冷凍電鏡照片的質(zhì)量。采用這種方法制備冷凍樣品，研究團(tuán)隊(duì)成功獲得了成像質(zhì)量更高的冷凍電鏡數(shù)據(jù)，解析了去鐵鐵蛋白、20S蛋白酶體和新冠病毒刺突蛋白的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2. 石墨烯“三明治”結(jié)構(gòu)應(yīng)用于冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析
清華大學(xué)/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心王宏偉教授、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授和清華大學(xué)生命學(xué)院劉楠博士為該論文的共同通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2019級(jí)博士生徐潔、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院2020級(jí)博士生高嘯寅、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院鄭黎明博士為該論文共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士生賈霞、清華大學(xué)生命學(xué)院徐魁博士、北京大學(xué)工學(xué)院韋小丁教授及其研究生馬瑜薇為該工作提供重要幫助。該課題得到了國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和國家自然科學(xué)基金、騰訊基金會(huì)以及清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃的支持。
文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309384121
文章來源：公眾號(hào)“北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心”
據(jù)工業(yè)和信息化部消息，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委發(fā)布關(guān)于印發(fā)《制造業(yè)中試創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施意見》的通知。
到2025年，我國制造業(yè)中試發(fā)展取得積極進(jìn)展，重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈中試能力基本全覆蓋，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高端化、綠色化水平顯著提升，中試服務(wù)體系不斷完善，建設(shè)具有國際先進(jìn)水平的中試平臺(tái)5個(gè)以上，中試發(fā)展生態(tài)進(jìn)一步優(yōu)化，一批自主研發(fā)的中試軟硬件產(chǎn)品投入使用，中試對(duì)制造業(yè)支撐保障作用明顯增強(qiáng)。
到2027年，我國制造業(yè)中試發(fā)展取得顯著成效，先進(jìn)中試能力加快形成，優(yōu)質(zhì)高效的中試服務(wù)體系更加完善，中試發(fā)展生態(tài)更加健全，為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。
來源：工信部工業(yè)和信息化部 國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)《制造業(yè)中試創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施意見》的通知
加力石墨和石墨烯產(chǎn)業(yè)建鏈成群，緊盯石墨負(fù)極、等靜壓石墨、石墨烯、高性能碳纖維等先進(jìn)碳材料領(lǐng)域，全力推動(dòng)福維高性能碳纖維項(xiàng)目落地開工，加快推進(jìn)本地微晶石墨礦產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用攻關(guān)，打造全國有影響力的先進(jìn)碳材料產(chǎn)業(yè)基地，力爭(zhēng)產(chǎn)值增長(zhǎng)20%以上。責(zé)任單位：市工信局，汽車工業(yè)園
來源：永安市人民政府辦公室關(guān)于印發(fā)《2024年市政府工作主要任務(wù)分工方案》的通知
近日，廈門實(shí)證儲(chǔ)能科技研究院有限公司成立，法定代表人為陳小波，注冊(cè)資本5億元，系寧德時(shí)代全資子公司。廈門實(shí)證儲(chǔ)能科技研究院有限公司的經(jīng)營范圍，包含新興能源技術(shù)研發(fā)、儲(chǔ)能技術(shù)服務(wù)、工程和技術(shù)研究和試驗(yàn)發(fā)展、工業(yè)工程設(shè)計(jì)服務(wù)、專用設(shè)備制造等。
來源:中國證券網(wǎng)
福建省政協(xié)委員、福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)林梅金建議，加快攻克高端化工新材料產(chǎn)品供給不足、關(guān)鍵原料的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈不配套、自主創(chuàng)新能力水平不夠等問題，推動(dòng)化工新材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與高質(zhì)量發(fā)展。
緊跟國際前沿，加強(qiáng)超前部署，形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國際領(lǐng)先的原創(chuàng)核心技術(shù)。如突破一批新型催化、微反應(yīng)等過程強(qiáng)化技術(shù)，開發(fā)一批新材料技術(shù)，搶占一批科技制高點(diǎn)；發(fā)展電子特氣、電子級(jí)濕化學(xué)品、光刻膠、電子紙等高端電子化學(xué)品，加強(qiáng)石墨烯材料和3D打印材料的研發(fā)和應(yīng)用研究等。
來源：東南網(wǎng)
近日，常州市工信局發(fā)布2023年常州市創(chuàng)新產(chǎn)品擬認(rèn)定名單公示，公示期為2024年1月26日至2月1日17:00時(shí)。常州第六元素材料科技股份有限公司“石墨烯SE1233”和“氧化石墨烯SE2430”兩款產(chǎn)品和江蘇杉元科技有限公司的“石墨烯復(fù)合導(dǎo)電漿料SY10E系列”產(chǎn)品進(jìn)入2023年常州市首批次新材料擬認(rèn)定名單。
1月25日，由中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟組織的石墨烯熱管理技術(shù)交流會(huì)在國家石墨烯創(chuàng)新中心順利舉行。墨?？萍加邢薰尽⑸虾Ｈ鹣┬虏牧峡萍加邢薰?、中科院上海微系統(tǒng)所等企業(yè)、院所專家代表參加，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)、國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)委員李義春，國家石墨烯創(chuàng)新中心主任、中國科學(xué)院寧波材料所研究員劉兆平等創(chuàng)新中心高管和相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參會(huì)。
來源：國家石墨烯創(chuàng)新中心
近日，北京石墨烯研究院(BGI)為第四屆中國短視頻大會(huì)提供特別定制石墨烯電暖畫。石墨烯電暖畫是在全民大健康背景下衍生出的時(shí)尚養(yǎng)生藝術(shù)產(chǎn)品。將石墨烯材料與裝飾畫進(jìn)行完美結(jié)合，讓石墨烯的發(fā)熱功能具備了更美的外觀形態(tài)。BGI為中國短視頻大會(huì)專屬定制的電暖畫產(chǎn)品，其畫面為琉璃燒制技藝和制品相關(guān)的元素，畫質(zhì)清晰、層次分明，不但宣傳了國家級(jí)非遺琉璃燒制技藝，而且體現(xiàn)了金隅琉璃文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園作為元、明、清三朝皇宮御窯廠遺址的文化底蘊(yùn)，是本次大會(huì)利用新科技提高藝術(shù)傳播和推進(jìn)中國好故事傳播的重要體現(xiàn)。
來源：北京石墨烯研究院
石墨烯，一種被譽(yù)為“新材料之王”的二維晶體，以其超薄、超輕、超強(qiáng)的特性贏得了科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。然而，由于被過度炒作以至于被濫用在電暖氣、化妝品，甚至內(nèi)衣之類的產(chǎn)品中，石墨烯的名聲一度大受影響。公眾甚至將石墨烯類比成曾經(jīng)的納米水、光催化和負(fù)氧離子空氣凈化器，認(rèn)為其產(chǎn)品全是“忽悠人的”。在大眾的心目中，石墨烯幾乎被營銷“玩壞了”。
兩年前，中國科學(xué)院院士劉忠范曾表示，“后摩爾時(shí)代，放過石墨烯吧?！钡拇_，在過去的一段時(shí)間里，石墨烯幾乎成為各種概念的代表，被冠以各種神奇的屬性，有時(shí)甚至超越了其真實(shí)的科學(xué)價(jià)值。
更為關(guān)鍵的問題是，直到最近，石墨烯一直沒有解決的“帶隙”問題。帶隙是半導(dǎo)體材料中的一個(gè)關(guān)鍵概念，而石墨烯之前的帶隙為零，即沒有，使其成為導(dǎo)體而非半導(dǎo)體。這個(gè)難題困擾了科學(xué)家們幾十年，阻礙了石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。
然而，最新的研究給我們帶來了一線希望。來自佐治亞理工學(xué)院和天津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體。他們通過在碳化硅晶圓上生長(zhǎng)石墨烯，成功解決了石墨烯沒有帶隙的問題。這個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)讓石墨烯具備了半導(dǎo)體的特性，為其在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打開了新的大門。
石墨烯是一種單層石墨，由碳原子以六角形蜂巢晶格排列而成。它的特性超薄、超輕、超強(qiáng)，擁有高電荷載流子遷移率、雙極場(chǎng)效應(yīng)以及優(yōu)異的電學(xué)和機(jī)械性能。在過去的研究中，科學(xué)家們一直試圖克服石墨烯的“帶隙”問題，以使其在半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮作用。
在過去的研究中，科學(xué)家們?cè)鴩L試通過改變石墨烯的形狀、量子約束和化學(xué)功能化等方法來引入帶隙，但都未能成功制造出可行的半導(dǎo)體石墨烯。這次的突破來自于在特定碳化硅晶面上對(duì)石墨烯進(jìn)行退火的方法，使其能夠像硅一樣工作。這一關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)為石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大的希望。
盡管成功解決了帶隙問題，但要讓石墨烯半導(dǎo)體真正應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)，仍然面臨挑戰(zhàn)。首先，大規(guī)模生產(chǎn)仍是一個(gè)問題。然而，研究團(tuán)隊(duì)采用在碳化硅襯底上生長(zhǎng)石墨烯的方法，省去了石墨烯轉(zhuǎn)移步驟，使其更容易與現(xiàn)有硅工藝兼容，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。
然而，要實(shí)現(xiàn)石墨烯半導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用，仍有諸多挑戰(zhàn)需要克服。首先，石墨烯的制備成本高，規(guī)?；a(chǎn)面臨困難。其次，作為二維平面材料，石墨烯受到量子效應(yīng)的影響，需要深入研究其導(dǎo)電性。最后，石墨烯的一致性、穩(wěn)定性和質(zhì)量問題仍然需要解決，以確保其在產(chǎn)業(yè)中的可行性和競(jìng)爭(zhēng)力。
“石墨烯是過度炒作的受害者”，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·蓋姆這樣形容。然而，現(xiàn)在隨著一項(xiàng)重大的突破，石墨烯半導(dǎo)體才剛剛開始展現(xiàn)其潛力。這一突破讓我們有理由重新審視這個(gè)被過度炒作的新材料，一種可能將在集成電路、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、大功率LED散熱、可穿戴電子器件、石墨烯化學(xué)傳感器等領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱的新材料。當(dāng)然并不是說就此大規(guī)模投資石墨烯，而是更好地理解石墨烯的價(jià)值，找到其真正的應(yīng)用突破口。在前面的路上，石墨烯有望像碳化硅和氮化鎵一樣，為半導(dǎo)體制造及其下游產(chǎn)品提供更多選擇，貢獻(xiàn)自己獨(dú)特的力量。
來源：百家號(hào)|漣漪雜談
2023年12月28日，福建永安市永清石墨烯研究院有限公司通過認(rèn)定，獲得國家“高新技術(shù)企業(yè)”認(rèn)定殊榮，正式邁入國家高新技術(shù)企業(yè)行列。
高新技術(shù)企業(yè)，是指在國家頒布的《國家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)領(lǐng)域》，持續(xù)進(jìn)行研究開發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，形成企業(yè)核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并以此為基礎(chǔ)開展經(jīng)營活動(dòng)，屬于國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進(jìn)的企業(yè)。
高新技術(shù)企業(yè)的認(rèn)定十分嚴(yán)格，企業(yè)需要同時(shí)滿足自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)擁有數(shù)量、產(chǎn)品符合規(guī)定范圍、技術(shù)人員占比、研究開發(fā)費(fèi)用占比、高新技術(shù)產(chǎn)品收入占比等多項(xiàng)要求，對(duì)綜合指標(biāo)有著嚴(yán)格的審核要求，僅限于國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進(jìn)的企業(yè)，被評(píng)定為高新技術(shù)企業(yè)是中國科技企業(yè)的最高榮譽(yù)之一。
福建永安市永清石墨烯研究院有限公司位于福建省三明市永安市貢川石墨和石墨烯產(chǎn)業(yè)園，成立于2018年1月。是由永安市人民政府和清華大學(xué)深圳國際研究生院共同合作建立的公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，是國家先進(jìn)電池材料產(chǎn)業(yè)集群海西區(qū)域產(chǎn)業(yè)工作組，是集群檢測(cè)技術(shù)分析平臺(tái)之一，投資規(guī)模達(dá)1億元。未來，永清石墨烯研究院將繼續(xù)提高企業(yè)的研發(fā)和創(chuàng)新能力，積極開展科技成果轉(zhuǎn)換和人才培養(yǎng)工作，進(jìn)一步提升企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，朝著更高目標(biāo)前行。
經(jīng)過與聚合物和復(fù)合材料專業(yè)制造商合作多年的開發(fā)，Carbon Waters開發(fā)了一系列基于石墨烯的高性能添加劑，在這個(gè)專用的Graph’Up系列上進(jìn)行的測(cè)試突顯了熱固性聚合物（環(huán)氧樹脂）的機(jī)械性能的顯著改善，已經(jīng)與多家歐洲公司啟動(dòng)了資格認(rèn)證階段，特別是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，Carbon Waters還與一家領(lǐng)先的特種聚合物公司啟動(dòng)了研發(fā)合作。目標(biāo)是在非常特殊的聚合物系列中加入這一系列添加劑，以應(yīng)對(duì)風(fēng)能行業(yè)中使用的復(fù)合材料可回收性的挑戰(zhàn)。
自20世紀(jì)90年代初以來，風(fēng)力渦輪機(jī)，這些將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)代風(fēng)車，越來越多地出現(xiàn)在我們的景觀中。作為能源轉(zhuǎn)型的一部分，風(fēng)力渦輪機(jī)市場(chǎng)正在不斷增長(zhǎng)，以提供更環(huán)保的能源并控制對(duì)環(huán)境的影響。據(jù)Ademe稱，這種能源將是其整個(gè)生命周期中污染最少的能源之一。然而，該行業(yè)面臨著一定的困難，特別是某些風(fēng)力渦輪機(jī)部件的使用壽命和回收利用。Carbon Waters進(jìn)行了盤點(diǎn)。
如果風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量成倍增加，例如在法國，其發(fā)電量占總發(fā)電量的近10% ，這顯然是為了發(fā)展可再生能源。無論是陸上還是海上，一臺(tái)2兆瓦風(fēng)力渦輪機(jī)每年平均發(fā)電4200兆瓦時(shí)，相當(dāng)于法國約800個(gè)家庭的平均用電量。此外，根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，風(fēng)能有助于大幅減少CO2排放。2020年，風(fēng)力發(fā)電避免了近1.7億噸溫室氣體的排放。與核能或天然氣等其他類型的能源生產(chǎn)不同，這種能源可以在不污染環(huán)境的情況下發(fā)電，從而保護(hù)動(dòng)植物群。
盡管具有所有這些優(yōu)勢(shì)并且該行業(yè)蓬勃發(fā)展，但它仍然受到兩個(gè)與組件壽命終止直接相關(guān)的困難的困擾：
1、葉片的可回收性：目前使用的復(fù)合材料（環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂中混合的玻璃纖維和碳纖維）不可回收；
2、用于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的復(fù)合材料的脆弱性。
關(guān)于第一點(diǎn)，制造商（西門子能源、阿科瑪）正在致力于生產(chǎn)用于海上風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的可回收樹脂。西門子歌美颯?(Siemens Gamesa)是西門子能源集團(tuán)旗下專注于風(fēng)力發(fā)電的子公司，已經(jīng)通過其RecyclableBlade系列提供解決方案。然而，對(duì)于陸上風(fēng)力渦輪機(jī)來說，問題似乎更加復(fù)雜，該風(fēng)力渦輪機(jī)由兩部分組成，其膠接會(huì)在可回收性方面造成問題。
關(guān)于海上設(shè)備復(fù)合材料的脆弱性，當(dāng)前發(fā)生的事件直接證明了這一點(diǎn)。最近，西門子歌美颯遭受了非常重大的財(cái)務(wù)損失。原因是技術(shù)問題，主要是葉片存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致斷裂。全球第二大風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商宣布，15%至30%的風(fēng)電場(chǎng)將受到影響，即超過30GW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，損失近30億美元。該集團(tuán)股價(jià)在股市也下跌超過30%。
為了克服海上風(fēng)力渦輪機(jī)的質(zhì)量問題（顧名思義，海上風(fēng)力渦輪機(jī)要承受惡劣的條件），可以采用解決方案來保持構(gòu)成風(fēng)力渦輪機(jī)的材料的完整性。為了增強(qiáng)由復(fù)合材料制成的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的強(qiáng)度，同時(shí)提供極大的重量，石墨烯是理想的材料。美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的一項(xiàng)研究證明了碳在這兩方面的有效性。用碳納米管增強(qiáng)的葉片的強(qiáng)度是傳統(tǒng)葉片的8倍，而且重量輕得多，從而可以減輕渦輪機(jī)的負(fù)載。對(duì)于海上設(shè)備，還必須考慮防腐因素。同樣，石墨烯憑借其出色的阻隔性能，有助于保護(hù)材料免受氧化。以添加劑形式，它可以在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的制造過程中直接融入樹脂中。材料受到更好的保護(hù)，使用壽命更長(zhǎng)。這些解決方案集成到風(fēng)力渦輪機(jī)的復(fù)合材料中，可以減少某些風(fēng)電場(chǎng)的更新，從而顯著節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。
經(jīng)過與聚合物和復(fù)合材料專業(yè)制造商合作多年的開發(fā)，Carbon Waters開發(fā)了一系列基于石墨烯的高性能添加劑，可以直接應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。因此，在這個(gè)專用的Graph’Up系列上進(jìn)行的測(cè)試突顯了熱固性聚合物（環(huán)氧樹脂）的機(jī)械性能的顯著改善，包括在低濃度下：
1、牽引力和抗變形能力+30%；
2、剛性+50%；
3、+30°C耐溫性（更多信息請(qǐng)垂詢）。
此外，已經(jīng)與多家歐洲公司啟動(dòng)了資格認(rèn)證階段，特別是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，Carbon Waters還與一家領(lǐng)先的特種聚合物公司啟動(dòng)了研發(fā)合作。目標(biāo)是在非常特殊的聚合物系列中加入這一系列添加劑，以應(yīng)對(duì)風(fēng)能行業(yè)中使用的復(fù)合材料可回收性的挑戰(zhàn)。
信息來源：石墨烯網(wǎng)、Carbon Waters
