用最新高導(dǎo)熱超柔性石墨烯膜折疊的千紙鶴
通過巧妙設(shè)計(jì)，浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型石墨烯組裝膜：它是目前導(dǎo)熱率最高的宏觀材料，同時具有超柔性，能被反復(fù)折疊6000次，承受彎曲十萬次。這一進(jìn)展解決了宏觀材料高導(dǎo)熱和高柔性不能兼顧的世界性難題，有望廣泛應(yīng)用于高效熱管理、新一代柔性電子器件及航空航天等領(lǐng)域。
相關(guān)論文Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films近日發(fā)表于Advanced Materials雜志，論文第一作者為博士生彭蠡。
高超介紹，電子電器工作時會發(fā)熱，需要高效熱管理來保證其正常運(yùn)行。新一代器件還要求可彎折性。因此，研究高導(dǎo)熱高柔性材料至關(guān)重要。但現(xiàn)有宏觀材料的高導(dǎo)熱和高柔性是一對魚和熊掌難以兼得的矛盾。
石墨烯的出現(xiàn)為解決這一矛盾提供了理論上的可能。它是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面單層二維大分子。原子質(zhì)量輕、簡單而又強(qiáng)力的鍵接結(jié)構(gòu)賦予了它超高的導(dǎo)熱性；同時，單原子層厚度又使得其具有較好的柔性。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(dǎo)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)。比如，我們手機(jī)里的散熱膜，就是用GPI制成的。
在高超教授的辦公室，記者見到了一片20厘米邊長的石墨烯組裝膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介紹，這10微米厚的“海苔”，是由數(shù)千層單片石墨烯交疊而成的。實(shí)驗(yàn)測試表明，石墨烯膜可以耐受10萬余次的彎曲，而不影響其導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，而且，在反復(fù)折疊6000次后仍沒有斷裂。此前性能最好的GPI最多只能反復(fù)折疊3次。同時這種石墨烯膜的導(dǎo)熱率最高達(dá)到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想單層石墨烯導(dǎo)熱率的40%，創(chuàng)造了宏觀材料導(dǎo)熱率的新紀(jì)錄。
圖1. a) 市售智能手機(jī)背面；b) 手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)；c) 用聚酰亞胺石墨化膜(GPI)作為手機(jī)散熱膜；d) 同一部手機(jī)用新型石墨烯膜作為散熱膜；e, f) 在(b), (c), (d) 三種狀態(tài)下，手機(jī)的水平和垂直溫度線的比較，表明石墨烯膜具有更好的散熱降溫效果。
柔軟而高導(dǎo)熱的性能，賦予我們無限的想象空間，比如，可折疊的手機(jī)、筆記本電腦，甚至衛(wèi)星和航天器。課題組將這種石墨烯膜替代商用GPI膜，應(yīng)用于手機(jī)散熱膜上，發(fā)現(xiàn)手機(jī)CPU處的溫度可以控制在33℃以下，相對商用GPI膜降低了6℃。如果把這層膜用到人造衛(wèi)星上，就能很好地解決衛(wèi)星的“向光背光”溫差大的問題。
彭蠡說，電子元器件的散熱是器件開發(fā)一項(xiàng)很重要的課題。它們“怕熱”，是因?yàn)檫@些功率器件都有穩(wěn)定工作的溫度區(qū)間。隨著溫度的升高，器件工作的穩(wěn)定性會下降，噪音升高，并且壽命降低。一般來說，溫度提高8—10度，器件壽命會下降一半。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品失效的原因中，溫度占比達(dá)到50%以上。
Advanced Science News評論認(rèn)為，這項(xiàng)成果使得很多大面積多功能的二維材料能夠應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的柔性器件中，從航空航天到智能手機(jī)，不一而足。
科學(xué)家是如何讓石墨烯膜由“脆”變“柔”，并兼顧了良好的導(dǎo)熱性能呢？高超說，團(tuán)隊(duì)提出了一種“大片微褶皺”的設(shè)計(jì)思路，在制備石墨烯膜的過程中引入了許多微小的褶皺，讓石墨烯膜成為一種“能屈能伸”的材料。就像女孩們的百褶裙，裙擺可以展開很大。
如此細(xì)小的褶皺怎么制造？高超團(tuán)隊(duì)想出了一種新穎的方法：將石墨烯膜高溫加熱，膜中的含氧官能團(tuán)在高溫下分解釋放出氣體，使石墨烯膜內(nèi)部形成微氣囊；再經(jīng)過機(jī)械輥壓成膜，微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺?！熬瓦@么簡單”，高超說。Advanced Science News認(rèn)為，這樣的設(shè)計(jì)理念和實(shí)驗(yàn)策略能夠拓展至其他二維納米材料中。
圖2. 石墨烯微褶皺的引入過程：高溫加熱還原形成微氣囊，機(jī)械輥壓形成微褶皺。
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浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)長期致力于單層氧化石墨烯的規(guī)模化制備及其宏觀組裝研究，發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的液晶性，發(fā)明了石墨烯纖維、石墨烯無紡布、石墨烯連續(xù)組裝薄膜及最輕材料石墨烯氣凝膠四種純石墨烯宏觀材料(簡稱F4)，開發(fā)了低成本高質(zhì)量單層氧化石墨烯、多功能石墨烯復(fù)合纖維、石墨烯高效電熱布、石墨烯超級電容器、石墨烯-鋁離子電池、石墨烯納濾膜等六大核心技術(shù)，這些成果產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，部分已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和中試。
（文 周煒）
