【中国科学报】石墨烯导热膜步入“宇航级”

【中国科学报】石墨烯导热膜步入“宇航级”

研究人员正在检查和维护生产设备

石墨烯导热膜 中国科学院山西煤化工研究所供图

自2018年华为Mate 20X手机率先采用石墨烯薄膜散热技术以来，国内主流手机厂商纷纷在旗舰机型上使用石墨烯薄膜。 据不完全统计，2020年第二季度至2021年第二季度，我国使用石墨烯导热膜的手机销量接近2900万台，石墨烯膜累计使用量约为130万平方米。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所（简称中科院山西煤炭化学研究所）副研究员孔庆强在接受中国科学报采访时给出了上述数据。 在他看来，“随着5G智能手机渗透率的快速提升，石墨烯导热膜有望迎来爆发式增长。”

据安信证券等研究机构预测，到2022年全球手机散热市场将突破35亿美元。为应对大功率电子设备的散热需求，中科院山西煤炭化学研究所组建了以“709课题组+705课题组”为主要成员的“大军团”，成功研制出热流密度高、柔性好等综合指标优异的产品。 石墨烯导热膜建成了十吨级氧化石墨烯浆料和千平方米石墨烯膜中试平台，并已定型并在多颗卫星上使用，成为中国航天科技集团公司合格产品，中国电子科技集团等单位。 供应商。

新材料备受青睐

随着5G时代的到来，智能终端对散热组件的热膨胀能力提出了更高的要求，石墨烯导热膜逐渐成为电子散热材料的“宠儿”。

作为709课题组成员，孔庆强表示，在石墨烯导热薄膜逐渐成为流行的散热材料之前，主流电子散热材料主要采用以聚酰亚胺薄膜为原料制备的人造石墨薄膜。 虽然人造石墨薄膜的面内导热系数较低、较高（1000~1500 W/mK），但受原料薄膜的限制，其厚度也较小（25~60μm）。 “更重要的是，这些原材料主要依赖进口。”

相比之下，石墨烯导热膜兼具高导热系数（1000~1200W/mK）和高厚度（100~300μm）。 另外，其横向热膨胀能力是人造石墨膜的4倍以上。

不过，孔庆强指出，石墨烯导热薄膜的制备仍存在许多关键技术问题需要攻克，如大规模氧化石墨烯批量合成技术、超厚氧化石墨烯薄膜快速组装技术以及低-成本热处理技术。

“石墨烯膜的制备通常需要在2800℃以上的高温下进行石墨化，但目前只能采用间歇式生产工艺，不仅能耗高，而且生产效率低。” 孔庆强说道。

满足重点领域需求

中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员、705课题组成员陶泽超告诉中国科学报，目前市场上的石墨烯导热膜主要应用于消费电子领域，用户主要关注产品的导热系数和厚度指标。 航空航天等重点领域石墨烯导热薄膜很少。

中科院山西煤化工研究所研发的石墨烯导热膜主要应用于航空航天等重点领域。 这就要求石墨烯导热膜除了具备良好的导热性能、厚度等核心指标外，还必须满足弯曲半径、可凝挥发物、辐照性能等数十项其他技术指标。 “如果任何一个指标不符合标准，产品就无法使用。” 陶泽超说道。

事实上，早在2014年，中科院山西煤炭化学研究所就凭借多年的石墨烯研发技术，开展了石墨烯导热薄膜的研究，取得了多项关键技术的突破并应用2016年重点领域大功率电子器件。

陶泽超告诉记者，团队此前已研发出厚度为100微米的石墨烯薄膜。 然而，当试图将其厚度增加到200μm时，氧化石墨烯薄膜在碳化后会直接破裂，无法再进行加工。

为了突破氧化石墨烯薄膜碳化工艺的瓶颈，研发团队首先优化了碳化工艺参数，将良率提升至50%。 随后，对氧化石墨烯的合成工艺进行改进，最终解决了这一问题，为后续开发300μm厚的石墨烯薄膜奠定了坚实的基础。

陶泽超表示，本次研发的石墨烯导热薄膜综合水平优异，可以达到“航天级标准”。 不仅在超厚膜成型、特种浆料、致密化、热处理等关键工艺上拥有自主技术，还申请了10项发明专利，其中4项已获得授权。

“大军团”战斗

据中科院碳材料重点实验室副主任、中科院山西煤炭化学研究所709课题组组长陈成猛介绍，石墨烯导热薄膜的重要突破是离不开打破题材壁垒，开展“大军团”式作战。

“对于复杂的系统工程，整合院内相关方向的优势力量，组建联合攻坚队伍，可以充分发挥中科院的体系优势和制度优势。”陈成猛说。

早在2007年，中国科学院山西煤炭化学研究所就开始了石墨烯的研究。 2012年，该所709课题组成立，随后完成了氧化还原石墨烯吨级中试。 中试产品销往国内外300多家用户单位，积累了丰富的石墨烯材料制备经验。

中国科学院山西煤炭化学研究所705课题组长期从事碳基热管理产品的研发。 先后开发出石墨热膨胀板、柔性均热膜、泡沫石墨、导热电缆等代表性热管理材料和热控制产品。 它已在许多星载电子产品的热控制子系统中持续使用。

“两个团队打破了课题组的壁垒，既可以独立工作，也可以共同攻坚，实现了团队、技术、平台的优势互补，迅速打通了‘材料-材料-器件-使用’的领域。” ’创新链，这有助于掌握石墨烯的导热性。” 成套膜芯技术创造了非常有利的条件。”陈成猛说。

事实上，这并不是中科院山西煤化工研究所第一次进行这种“大规模”的研发。 此前曾在碳纤维、煤制油等重大技术攻关项目中得到应用，但石墨烯导热膜项目尚属首次。

陶泽超表示，团队目前建立的中试平台年产能十吨氧化石墨烯。 最终可生产1000平方米石墨烯薄膜，可供2.2万部手机使用，可满足约100颗卫星的需求。

“在我国，开发从氧化石墨烯制备到终端石墨烯膜的中试平台还比较少见。” 陈成猛告诉记者，团队目前正在与国内多个投资方对接，推动石墨烯膜技术走向中试阶段。 工业化。

“目前试点平台产能有限，已经不能满足用户订单需求。” 陈成猛表示，下一步，团队将根据市场需求，建设一条年产20万平方米的高通量石墨烯膜生产线。 预计实现年产量20万平方米。 产值2.7亿元。

具体来说，一期计划建立1万平方米的产业示范线，主要针对满足国家重大需求的高附加值领域，逐步将产能扩大到消费电子领域的旗舰机型。

陈成猛表示，除了石墨烯导热膜外，团队还将根据用户需求研发更高厚度的石墨烯热膨胀板和导热/储热双功能膜。

在他看来，我国石墨烯研发生态和市场环境明显改善，日趋理性务实。 “在一些细分领域，石墨烯已经展现出显着的技术和商业价值。我们必须客观公正，以耐心、细心和毅力把石墨烯作为一项新技术来对待，做符合科学和历史规律的事情。”