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散热 | 瑞典高校重大发现:石墨烯组装膜散热性能更优
特斯拉 2018-06-25
导语

伟大突破:石墨烯组装膜导热率比最好的石墨膜高60%以上

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种石墨烯组装膜,其导热率比石墨膜高60%以上,新的石墨烯薄膜作为电子器件和其他高功率驱动系统用新型散热材料显示出巨大潜力。

▍错误认识:石墨烯组装膜导热率不能高于石墨膜

迄今为止,石墨烯研究领域的科学家们一直认为,石墨烯组装膜的导热率不会高于石墨膜。单层石墨烯的导热系数在3500W/mK和5000W/mK之间。如果把两层石墨烯放在一起,理论上它就会变成石墨,因为石墨烯只是一层石墨。今天,石墨膜在移动电话和其他功率器件的散热方面非常有用,其导热系数高达1950W/mK。因此,石墨烯组装膜不应具有比此更高的导热率。

▍伟大突破:石墨烯组装膜导热率比最好的石墨膜高60%以上

查尔姆斯理工大学的研究科学家最近改变了上述情况。他们发现石墨烯组装膜的导热系数可以高达3200 W/mK,比最好的石墨膜高出60%以上。

图:在石墨烯薄膜中,声子是描述材料热导率的量子粒子,可以在石墨烯层中移动得更快,而不是在层之间相互作用,从而带来更高的热导率。

查尔姆斯理工大学的Johan Liu教授和他的研究团队通过仔细控制晶粒尺寸和石墨烯层的堆叠顺序来完成这项工作。高导热率是石墨烯层晶粒尺寸大、平坦度高和层间结合能量弱共同导致的结果。声子的运动和振动决定热性能,由于具备上述重要特征,声子在石墨烯层中移动得更快,而不是在层之间相互作用,从而带来更高的热导率。

图为查尔姆斯理工大学的Johan Liu教授

此外,研究人员发现石墨烯薄膜的机械拉伸强度几乎比石墨薄膜高三倍,达到70MPa。

▍意义重大:对现有石墨膜制造业的转型将有巨大影响

由于永无止境的小型化和集成化,现代电子器件和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到严重散热问题的极大威胁。Johan Liu教授指出:“要解决这个问题,散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和稳健性方面获得更好的性能,以匹配功率系统的复杂性和高度集成性。商业上可用的导热材料,如铜、铝和人造石墨薄膜等,将不再符合和满足这些要求。”

Johan Liu教授表示,这确实是一个伟大的科学突破,可以对现有石墨膜制造业的转型产生巨大影响。由于新研发的石墨烯薄膜具有超高的导热性、薄而灵活的坚固结构等优点,作为一种新型的散热材料,该材料在形状因子驱动的电子器件和其他高功率驱动系统热管理中具有巨大的应用潜力。

▍产权归属:瑞典SHT公司将负责新技术的商业化

石墨烯薄膜高质量制造工艺的知识产权属于SHT(Smart High Tech)公司,该公司为查尔姆斯理工大学Johan Liu教授创办的,主要从事纳米材料热特性的应用,近年来还开发了石墨烯材料的制备和应用,将专注于该技术的商业化。

▍研究团队:瑞典、中国、美国高校合力完成

这项工作是瑞典查尔姆斯理工大学与瑞典乌普萨拉大学、瑞典SHT公司、中国上海同济大学以及美国科罗拉多大学博尔德分校的研究团队合作完成。

▍成果发表:成果论文发表在知名材料科学期刊《Small》

Tailoring the Thermal and Mechanical Properties of Graphene Film by Structural Engineering. https://doi.org/10.1002/smll.201801346

(本文来源:大国重器微信公众号;)

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作者 特斯拉

副研究员

中科院

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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