石墨烯基薄膜及其復合材料在散熱方面的研究進展

引言：隨著5G通信技術(shù)的推廣和普及，散熱已經(jīng)成為電子設備中的一個普遍問題。自20世紀60年代以來，隨著摩爾定律的發(fā)展，集成芯片行業(yè)仍在追求極高的性能，這給熱管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，特別是在便攜式電子系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的散熱材料主要依靠金屬材料，如氧化鋁(~220 W/mk)或銅(~381 W/mk)，不僅難以滿足局部熱點冷卻的需求(臨界熱流密度~1000 W cm?2)，而且便攜性和靈活性也較差。聚酰亞胺在3000℃下石墨化制備的熱解石墨膜，導熱系數(shù)(k) ~1000W/mk，應用于手機或筆記本電腦中。此外，石墨薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)成本相對較高，因為石墨化過程中的產(chǎn)率低，能耗高。因此，開發(fā)新的替代品來替代集成器件的高效散熱是非常重要的。

在發(fā)現(xiàn)石墨烯(一種具有sp2雜化結(jié)構(gòu)的原子層厚碳)之前，這一直是一個問題。如圖1所示，機械剝離懸浮石墨烯的固有k為5300 W/mk(遠高于塊狀石墨的2000 W/mk或單壁碳納米管的3500W/mk，這是Balandin小組首次用拉曼技術(shù)測量的。此后，石墨烯由于其極高的k和優(yōu)異的力學性能，被認為是有前途的替代品之一，并推動了對石墨烯及其衍生物的各種研究，如石墨烯薄膜，纖維，復合材料和層壓板用于熱管理應用。

圖1.各種碳材料的熱導率圖解

本文綜述了近年來石墨烯基薄膜及其復合材料在散熱方面的研究進展。然后，對石墨烯的官能化、石墨烯片的橫向尺寸和取向等影響其散熱效率的主要因素進行了總結(jié)和討論。在這篇綜述的最后，評論了挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，為下一代基于石墨烯的二維熱管理材料提供指導。

01

石墨烯散熱膜

在本節(jié)中，介紹了制備的最新技術(shù)綜述了石墨烯薄膜及其衍生物，包括不同的前驅(qū)體及其對改善石墨烯薄膜k的貢獻。

1.1 單層或多層石墨烯薄膜

為了獲得具有完美晶格結(jié)構(gòu)的單層石墨烯，高取向熱解石墨膜(HOPG)的機械剝離是最可行的方法之一。這些微尺寸的石墨烯片被廣泛用于石墨烯晶格中傳熱或聲子輸運的基礎(chǔ)研究。另一方面，隨著化學氣相沉積(CVD)技術(shù)的快速發(fā)展，高質(zhì)量的單層或多層石墨烯薄膜可供研究或應用。Gao等人將熱CVD法應用于單層石墨烯薄膜的生長。應用于Pt芯片時，熱點溫度從394 K降至381 K。 超高速生長技術(shù)推動了CVD石墨烯的規(guī)?；苽?。例如，一英寸大小的單晶石墨烯在Cu-Ni合金襯底上快速生長。Xu等人開發(fā)了一種供氧的超快速CVD來生長單晶石墨烯。但由于石墨烯從襯底轉(zhuǎn)移而不破壞晶格結(jié)構(gòu)相對困難，因此CVD石墨烯薄膜作為導熱材料的應用仍然存在障礙。

1.2 還原氧化石墨烯薄膜

雖然單層或多層石墨烯表現(xiàn)出良好的面內(nèi)κ，但在沒有襯底的情況下直接應用在熱點上仍然存在障礙。因此，人們在石墨烯或氧化石墨烯片的組裝方法上付出了很大的努力，以獲得獨立的氧化石墨烯薄膜。由于Rouff等通過真空過濾制備出具有優(yōu)異拉伸強度的氧化石墨烯薄膜，氧化石墨烯在水中具有優(yōu)異的分散性，因此被廣泛應用于制作二維薄膜或者有機溶劑。在過去的十年中，基于氫鍵相互作用形成一層又一層致密結(jié)構(gòu)的各種組裝方法被開發(fā)出來，如靜電紡絲、濕紡、鑄造、噴涂、葉片和棒材涂層。例如，在聚四氟乙烯磁盤中通過溫和蒸發(fā)工藝制備的氧化石墨烯薄膜，其k為1100 W/mk，具有20 dB的優(yōu)異EMI屏蔽性能。在圖2(a-e)中，Xin等報道了用連續(xù)卷對卷方法電噴涂沉積氧化石墨烯薄膜，在2200℃退火后，薄膜的κ達到~1200 W/mk。為減小聲子界面散射，采用干泡法制備了厚度僅為0.8 μm的超薄氧化石墨烯薄膜，其κ值為~3200 W/mk

圖2.聚合物的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

最近，連續(xù)纏繞生產(chǎn)氧化石墨烯薄膜，結(jié)合葉片涂層，輕度熱還原(140°C)和石墨化(2850°C)，其k值為1204W/mk。值得注意的是，如圖2g和2h所示，采用自熔方法制備的氧化石墨烯薄膜厚度達到了~200 μm，具有很好的工業(yè)生產(chǎn)前景。Liu等人報道了一種快速卷對卷工藝來制造連續(xù)氧化石墨烯薄膜。經(jīng)過強化焦耳加熱還原處理后，還原氧化石墨烯膜的k和電導率分別達到1285 W/mk和4200 S/cm。Huang等人提出棒狀涂層策略制備氧化石墨烯膜，石墨化處理后的氧化石墨烯膜的κ值為826 W/mk。為了提高導熱膜的熱流密度，采用自熔合法制備了一種超厚氧化石墨烯薄膜，該薄膜厚度為亞毫米，其熱傳導率和導電性分別為1224 W/mk和6910 S/cm，在熱管理和電磁干擾屏蔽方面具有廣闊的應用前景。

如表1所示，大多數(shù)氧化石墨烯薄膜的平均k值僅為~1300W/mk，遠低于體石墨的2000W/mk。由于氧化石墨烯在氧化處理過程中存在固有的結(jié)構(gòu)缺陷。這種非諧波晶格結(jié)構(gòu)可能導致嚴重的聲子散射，從而影響所得氧化石墨烯薄膜的散熱性能。因此，為了恢復石墨烯片的結(jié)晶度以保證散熱，需要對氧化石墨烯薄膜進行高達2800℃以上的碳化和石墨化。

表1.用于熱管理的石墨烯基薄膜的最新制備技術(shù)。

1.3石墨烯薄膜

通過機械剝離制備的石墨烯，如球磨、剪切力剝離、超聲波(即液相剝離)、超臨界流體法和新型分層工程剝離，在減少氧化處理引入的缺陷或雜原子方面具有很大的優(yōu)勢。因此，與氧化石墨烯薄膜相比，石墨烯粉末組裝的石墨烯薄膜也表現(xiàn)出了很好的性能。在圖3(a-e)中，Teng等人通過球磨法制備了高濃度石墨烯漿料。對GF紙進行過濾達到1529W/mk的高k值。采用木質(zhì)素磺酸鈉輔助球磨工藝制備了石墨烯納米片，得到的石墨烯薄膜的k達到1324W/mk。最近，Wu等人提出了一種可規(guī)模化生產(chǎn)的石墨烯層壓漿過濾工藝，石墨烯膜的k為975W/mk。

圖3.(a)采用球磨法和真空過濾法制備石墨烯薄膜，(b, c)石墨烯薄膜的表面和截面形貌。

(d, e)石墨烯薄膜的導熱性和散熱性能(Copyright 2017, John Wiley and Sons)，(f)石墨烯膜離心浸涂示意圖及光學照片，(g-i)所得石墨烯薄膜的SEM圖像，(j- 1)石墨烯薄膜的導熱性能、導電性和電磁干擾屏蔽性能。

但由于機械剝離石墨烯片的分散性差，限制了石墨烯粉末的應用。雖然表面活性劑的使用可以提高剝離效率，但殘余添加劑的存在可能會在炭化處理過程中給石墨烯片引入額外的缺陷，導致k下降。另一方面，由于石墨烯基面之間的Vander Walls相互作用較弱，石墨烯薄膜的力學性能不如氧化石墨烯薄膜。在這方面，如圖2(f- 1)所示，一種新的掃描離心鑄造方法被用于增強石墨烯片的對準，從而將散熱和電磁干擾屏蔽性能分別提高到190W/mk和93 dB。此外，還開發(fā)了一系列改進的剝離方法，在石墨烯片的邊緣接枝官能團，如羧基或羥基，以獲得更好的力學性能，同時對sp2調(diào)和晶格結(jié)構(gòu)的破壞最小。

1.4石墨烯基復合薄膜

由于自上而下的制備策略，氧化石墨烯或石墨烯片的橫向尺寸相對較小是一個普遍的問題。相鄰薄片之間存在大量的邊界可能導致嚴重的聲子邊界散射，導致κ的下降。因此，開發(fā)基于石墨烯的復合薄膜來填補石墨烯片之間的內(nèi)部空隙或間隙是一個強烈的動機。例如，Kong等人通過熱壓碳化，將高導電性碳纖維連接氧化石墨烯薄片，其κ值提高至973W/mk。Hsieh等人開發(fā)了石墨烯/碳納米管復合膜，其面內(nèi)和面外κ分別達到1 991和76W/mk。膨脹石墨也被用于與氧化石墨烯結(jié)合，以提高導熱性和電磁干擾屏蔽性能。最近，如圖4(a-f)所示，石墨烯和碳納米管的協(xié)同效應的κ值為1154W/mk，電磁干擾屏蔽性能為~50 dB。圖4(gl)展示了石墨烯在碳納米管紗線薄膜上的改性噴涂涂層，據(jù)報道其κ值為1 056W/mk。如圖4d所示，碳纖維或碳納米管的存在在石墨烯或氧化石墨烯片之間架起了有效的散熱通道，起到了重要作用。

圖4.(a)氧化石墨烯/碳納米管復合膜的棒狀涂層制備，(b, c)復合膜的SEM和TEM形貌。(d) CNTs作為連接石墨烯片的熱通道示意圖，(e, f)復合薄膜的熱屏蔽性能和電磁干擾屏蔽性能，（g)在碳納米管紗線上噴涂氧化石墨烯涂層的示意圖，(h, i)氧化石墨烯/碳納米管復合膜的SEM和TEM圖像，(j)還原氧化石墨烯/碳納米管改善傳熱性能的示范，(k)不同氧化石墨烯負載下復合膜的導熱系數(shù)，(l)復合膜與銅片的紅外照片對比。

此外，如圖5所示，Li等人將PI紙漿作為骨架，再過濾氧化石墨烯溶液，石墨化后制備了k為1428W/mk的rGO/PI復合膜，使PI變成導電石墨結(jié)構(gòu)。但值得注意的是，石墨烯與這些低維碳材料之間的弱范德華相互作用導致復合薄膜在小半徑彎曲下的柔韌性相對較差。

圖5.(a)氧化石墨烯溶液在PI紙漿上的鑄造過程，(b-d) PI紙漿和石墨化GO/PI復合膜的光學照片和SEM形貌，(e) GO/PI薄膜與銅箔的散熱性能比較，(f) g-C3N4連接的氧化石墨烯示意圖，(g, h) rGO/C3N4復合膜的表面形貌和截面形貌，(i-k) rGO/ C3N4薄膜的導熱系數(shù)和在CPU上的散熱性能。

另一方面，對氧化石墨烯片進行化學改性，實現(xiàn)共價鍵連接，也是恢復石墨烯片間邊界的有效途徑。引入硅烷功能化策略可降低石墨烯薄膜的熱阻，其κ值增加56%，達到1642W/mk。如圖5(f-k)所示，Wang等人使用2D gC3N4作為連接子來拼接rGO薄片，其k增強了17.3%。將rGO/g-C3N4復合薄膜涂在CPU芯片上，工作溫度在40秒內(nèi)降低了10℃以上。在這方面，我們的團隊采用了所謂的“分子焊接”策略，通過PI、聚苯胺(PANI)、聚乙烯亞胺(PEI)或其他聚合物連接氧化石墨烯薄片。如圖6所示，通過對GO的修飾k提高約60%。PI的存在為熱傳遞提供了有效的聲子通道，從而提高了導熱性能。聚丙烯腈(PAN)也是偶聯(lián)氧化石墨烯的有效替代品，可提高散熱性能。這種修補石墨烯或氧化石墨烯薄膜缺陷的改性策略，為應用剝離的石墨烯或氧化石墨烯粉末進行熱管理提供了有效途徑。

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圖6.氧化石墨烯/PI復合膜改性分子焊接策略的闡述。

02

提高導熱性的關(guān)鍵因素

具有完美晶格結(jié)構(gòu)的石墨烯表現(xiàn)出驚人的熱學和電學性能。但實際上，由于石墨烯薄膜的制備和組裝過程，石墨烯片存在許多缺陷。如圖7所示，晶格缺陷如空位、晶界和含氧或含氮基團的功能化容易引起強烈的聲子-聲子散射。

圖7.氧化石墨烯/PI復合膜改性分子焊接策略的闡述。

而在微米級石墨烯或氧化石墨烯片的組裝過程中，石墨烯片之間主要產(chǎn)生的間隙或皺褶可能會影響石墨烯的性能導致聲子邊界散射，阻礙熱傳遞。隨著石墨烯作為一種潛在的散熱材料的興起，越來越多的基于分子動力學(MD)或密度泛函理論(DFT)的熱性能理論預測被用于提高石墨烯基復合薄膜的k。本節(jié)結(jié)合實驗和理論結(jié)果，總結(jié)了影響石墨烯及其復合薄膜熱學和電學性能的四個重要因素。

2.1 結(jié)構(gòu)與缺陷

sp2結(jié)構(gòu)的碳原子賦予石墨烯極高的κ值，而氧化石墨烯的κ值由于其邊緣或石墨烯平面的嚴重氧化而急劇下降了3或4個數(shù)量級。如圖8所示，對石墨烯中的缺陷和摻雜進行了詳細的研究，證明了缺陷和摻雜石墨烯的κ與缺陷和摻雜比呈指數(shù)關(guān)系。Chen等人通過CVD方法制備了13C同位素標記的石墨烯薄膜，該薄膜是通過引入13CH4實現(xiàn)的。結(jié)果表明，只要摻雜1%的13C，石墨烯晶格中的聲子輸運就會發(fā)生很大的變化。Kim等人。通過第一性原理計算摻雜石墨烯的k，發(fā)現(xiàn)摻雜石墨烯的k僅為原始石墨烯的約10%，這表明石墨烯中的雜原子增強了電子-聲子散射。

圖8.(a)石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷示意圖,(b)不同缺陷比下石墨烯帶的導熱系數(shù),(c)歸一化熱導率與平均自由程的關(guān)系,(d)不同類型聲子的弛豫時間。

除了同位素或雜原子摻雜效應外，Stone-Wales、空位或線缺陷等固有結(jié)構(gòu)缺陷也對聲子輸運有影響。Xie等人發(fā)現(xiàn)之字形石墨烯納米帶中的熱輸運受到歸一化導熱系數(shù)較低的拓撲線缺陷的影響。Islam還計算了空位缺陷對石墨烯聲子性質(zhì)的影響。隨著空位的增加，聲子散射受到影響。Tan等人。采用非平衡格林函數(shù)法模擬了具有五邊形-七邊形缺陷的石墨烯的熱輸運性質(zhì)。結(jié)果表明，PHD對鋸齒形和扶手椅形方向都有影響，k對缺陷區(qū)域的寬度不敏感。缺陷影響的詳細計算結(jié)果表明，即使在0.23%的低濃度下，單缺陷、雙缺陷和Stone-Wales缺陷的k值也分別降低了~57.6%、~42.4%和~31.9%。

2.2 尺寸效應

石墨烯片的晶粒尺寸也是決定彈道或擴散聲子輸運的重要因素之一。值得注意的是，晶粒尺寸與橫向尺寸不同，例如大尺寸的氧化石墨烯薄片甚至可以達到10000 μm2，但由于結(jié)構(gòu)缺陷，其晶粒尺寸仍然很小。已知聲子平均自由程(MFP)長度對熱輸運有重要貢獻。Xu等人在室溫下測量了石墨烯片(最長尺寸為9)，其κ值為1689W/mk至1813W/mk。此外，NEMD對石墨烯中熱傳遞的刺激與實驗相似。觀察到k隨著樣本長度的增加而增加，當L比平均MFP長一個數(shù)量級時，k的比例為logL。Park等建立了不同長度的石墨烯超級單體，結(jié)果表明，當長度低于800nm時，k呈線性增加，并以聲子彈道輸運為主，隨著長度的進一步增加，k以擴散熱輸運為主。估計石墨烯片中k的宏觀極限可達3200W/mk。

通過大量的實驗研究，證實了尺寸效應對導熱性能的重要性。例如，如圖9所示，Lee等人操縱CVD條件來控制多晶石墨烯的晶粒尺寸。尺寸為4.1、2.2和0.5 μm的石墨烯片的面內(nèi)k分別為2660、1890和680W/mk，表明石墨烯的導熱性能與晶粒尺寸呈正相關(guān)。提出了一種改進的分離吸附CVD (SACVD)方法，用于控制Pt襯底上200 nm ~1 μm的均勻晶粒尺寸。k隨著晶粒尺寸的減小而顯著降低，而電導率則緩慢降低。

圖9.(a)石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷示意圖,(b)不同缺陷比下石墨烯帶的導熱系數(shù),(c)歸一化熱導率與平均自由程的關(guān)系,(d)不同類型聲子的弛豫時間。

為了評估氧化石墨烯和石墨烯薄片的尺寸效應，如圖10(a-e)所示，Kumar等人。

采用離心法收集大粒徑氧化石墨烯(L-GO)。SEM圖像顯示，L-GO的尺寸達到~40 μm，而小尺寸GO(S-GO)的尺寸僅為5 μm。L-GO薄膜具有較好的EMI屏蔽性能，其k值為1390W/mk，比rS-GO薄膜高35% 。Peng等人制備了無碎片rGO (DfrGO)薄膜具有極高的k為1950W/mk以及優(yōu)異的柔韌性。如圖10(f- 1)所示，LGO形成的微褶皺使薄膜具有更高的伸長率，并且具有較好的小半徑扭轉(zhuǎn)容忍度。

圖10.(a, b)離心采集的L-GO和S-GO的SEM圖像，(c) L-GO和rL-GO膠片的數(shù)碼照片，(d和e) rL-GO和rS-GO薄膜的熱屏蔽性能和EMI屏蔽性能，(f)說明無碎片氧化石墨烯薄片形成微褶皺，(g-h) DfrGO薄膜的橫截面和表面形貌。(j)柔性優(yōu)異的DfrGO薄膜的光學圖像。(k, l) DfrGO薄膜的散熱性能和導熱系數(shù)。

2.3界面效應

當石墨烯片與襯底接觸時，界面聲子散射和耦合也是石墨烯膜平行或垂直方向熱輸運的關(guān)鍵問題。當石墨烯層數(shù)從1層增加到4層時，界面耦合導致石墨烯納米片的κ顯著降低67%。實驗結(jié)果也支持這一觀點。懸浮石墨烯片的κ為5300W/mk，但由于石墨烯和硅晶格之間強烈的界面聲子散射，附著在硅片上的剝離石墨烯片的κ顯著降低至~600W/mk。根據(jù)進一步的MD刺激結(jié)果，由于面外聲學(ZA)的阻尼，k表現(xiàn)出一個數(shù)量級的降低。除了石墨烯片或襯底之間的聲子散射外，薄膜內(nèi)石墨烯層之間的眾多界面引起的聲子散射也是石墨烯片組裝成凝聚膜期間熱阻的主要來源。例如，Renteria等人發(fā)現(xiàn)石墨烯層分離在還原氧化石墨烯薄膜內(nèi)部形成“氣穴”，由于界面聲子散射，會大大降低交叉平面k。到目前為止，有兩種策略可以提高石墨烯薄膜的密度或致密性。一方面，探討了各種附加力的裝配方法來控制或增強氧化石墨烯薄膜的取向。例如，由于氧化石墨烯的Kerr系數(shù)極大，在低電場條件下可以控制氧化石墨烯的有序度和排列程度。Zhai等人通過施加外部電位，實現(xiàn)了由孤立簇形成三維網(wǎng)絡的有序?qū)R。受金屬帶離心鑄造的啟發(fā)，在圖11中，Zhong等人開發(fā)了一種改善氧化石墨烯片取向的氧化石墨烯及其復合膜離心鑄造方法。隨著氧化石墨烯薄片定向排列對應的旋轉(zhuǎn)速度的增加，氧化石墨烯薄膜的電導率增加到650 S/cm。通過調(diào)整氧化石墨烯薄片的層距，它也顯示出在海水淡化或過濾方面的潛在應用。

圖11.(a)離心鑄造法制備的氧化石墨烯薄膜的演示，(b)米尺度獨立氧化石墨烯薄膜的光學照片，(c)還原氧化石墨烯薄膜的光學照片和SEM圖像。

03 結(jié)論

綜上所述，本文從石墨烯基薄膜的制備方法和影響其散熱性能的關(guān)鍵因素等方面綜述了近年來石墨烯基薄膜的研究進展。很難找出哪種原料或方法對熱管理是最好的。每種方法都存在與石墨烯片的顆?；驒M向尺寸和方向有關(guān)的精度問題?？偟膩碚f，還原后的氧化石墨烯薄膜具有良好的可加工性，適用于大多數(shù)制備方法，甚至適用于規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。但是由于氧化處理過程中引入了大量的缺陷，因此需要在極高的溫度(2800℃~ 3000℃)下石墨化來恢復氧化石墨烯薄膜中的缺陷。由于石墨烯片間相互作用弱，采用機械剝離法制備的石墨烯薄膜在加工方法和抗彎曲性能上存在缺陷。石墨烯基復合薄膜具有多種優(yōu)點，在高效散熱方面得到了廣泛應用。碳纖維、碳納米管或聚合物基石墨結(jié)構(gòu)可提供聲子在微米級石墨烯片之間傳遞的途徑，以增強原始氧化石墨烯或石墨烯膜的k。

理論和實驗結(jié)果都證明了石墨烯薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷、晶粒或橫向尺寸以及取向是影響石墨烯薄膜導熱性能的重要因素，這與石墨烯薄膜在缺陷、晶界或界面處發(fā)生的聲子散射有關(guān)。目前，石墨烯基薄膜在LED燈泡、手機和傳統(tǒng)散熱器涂層等熱管理領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。因此，提高石墨烯或氧化石墨烯的質(zhì)量和降低工業(yè)規(guī)模的成本仍然是最重要的問題之一。

審核編輯：劉清