石墨烯由蜂窩狀晶格中的一層共軛碳原子組成。低原子質量、強鍵合力和較低的非諧性賦予了石墨烯突出的導熱系數(shù)(5300 W /m/K)，同時單層結構使石墨烯具有潛在的柔韌性。這些獨特的特性使石墨烯有望用于制備超高導熱性和超柔韌性的宏觀材料。遺憾的是，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，其組裝而成的宏觀材料導熱率和柔性都欠佳，還比不上商業(yè)化的聚酰亞胺石墨化膜(GPI)。目前我們手機里的散熱膜，就是用GPI制成的。

        浙江大學的研究人員將原子厚度的大片層石墨烯折疊成具有微褶皺的石墨烯薄膜，這一進展解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的世界性難題。為了制備具有超高導熱系數(shù)的石墨烯薄膜，研究人員采取了兩步措施：使用無碎片的氧化石墨烯（debris-free graphene oxide, dfGO）作為原材料來減少缺陷晶界，使用超高溫退火工藝來獲得基于dfGO的無缺陷的石墨烯片層（debris-free graphene film, dfGF）。將石墨烯交疊起來后加溫，石墨烯膜內部就產生一個個微小的氣囊，隨后再施加壓力把微氣囊中的氣體排出，豐富密集的微褶皺就在表面形成了。從宏觀層面上看，石墨烯薄膜的表面仍很光滑。為了獲得超柔性，石墨烯片層以特殊方式被折疊，以獲得在外部拉力下的高延展性，并為彎曲變形提供足夠的空間。

圖1 石墨烯薄膜產生微褶皺的過程

圖2 dfGO（c）和dfGF的俯視圖、側視圖

       由于聲子缺陷和邊界散射的影響，石墨烯薄膜的導熱系數(shù)為1940 ± 113 W /m/K。即便如此，該系數(shù)比目前最好的基于石墨烯的宏觀材料（1434 W /m/K）高35%，比GPI（1750 W /m/K）高10%，比銅高390%。與此同時，微褶皺使得石墨烯薄膜具有超柔性，該薄膜經歷嚴重的變形后（如反復彎曲、卷曲、纏繞、擰轉、打結等）仍能保持結構完整性，此外，它還可以適應手指運動過程中的復雜變形，折疊成千紙鶴仍沒有任何破損。

圖3 與GPI和銅箔相比，dfGF具有優(yōu)異性能

        圖4表示將這種石墨烯膜替代現(xiàn)在市場上的商用石墨膜，應用于手機散熱膜上，發(fā)現(xiàn)手機CPU處的溫度可以控制在33攝氏度以下，相對商用石墨膜降低了6攝氏度。其中 a表示市售智能手機背面，b表示手機處于待機狀態(tài)，c表示用GPI作為手機散熱膜，d表示同一部手機用新型石墨烯膜作為散熱膜；e, f代表 在b、 c、d三種狀態(tài)下，手機的水平和垂直溫度線的比較，表明石墨烯薄膜具有更好的散熱降溫效果。

圖4 dfGF的高導熱性

                                           經測試，該石墨烯薄膜高斷裂伸長率高達16%，可反復折疊6000多次，承受180°彎曲10萬多次。

圖5 dfGF的柔性

      人們正在展望下一代可彎曲的電子產品，如可折疊的智能手機和平板電腦，許多航天器件同樣需要加工過程復雜的散熱部件。該文提到的大面積的多功能石墨烯薄膜，具有柔軟而高導熱的性能，可以很容易地集成到現(xiàn)實生活中的大功率柔性器件上實現(xiàn)超高效的熱管理。

參考文獻

Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films, P. Li, et al., Advanced Materials, (2017).

DOI: 10.1002/adma.201700589

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