石墨烯及其衍生物在散热材料中的应用

＊张鹏图

（中国石油大学胜利学院化学工程学院 山东 257061）

1.石墨烯及石墨烯的衍生物概述

石墨烯作为新型碳材料之一，自2004年被发现以来便越来越多地被人们所研究和利用。作为第一个被发现的二维平面结构，石墨烯具有很多令人惊奇的特性。它具有超大的比表面积（2630m2·g-1），极高的电子迁移率（200000 cm2·v-1·s-1），极高的杨氏模量（～1.0TPa），极高的热导率（～5000·W·m-1·K-1），同时它的透光率也达到了97.7%。以上优异的性能决定了石墨烯在现代科学研究领域中拥有极佳的应用前景以及不可取代的地位。

然而纯净的石墨烯的制备成本很高，但无论是CVD法生产石墨烯，还是机械剥离、溶剂剥离，都无法实现单层石墨烯的大规模制备。而石墨烯衍生物由于其牢固的sp2杂化平面被打破而具有化学改性的潜能。氧化石墨烯作为石墨烯衍生物的一种，是石墨经过氧化后分散在溶剂中的产物，其部分保留了石墨烯高导热率的特点。同时，由于氧化反应带来的羟基（-OH）、羧基（-COOH）等官能团，又使其容易进行共价键改性，增强了其在高分子基体内的相容性，有很好的分散效果。本文所介绍的石墨烯的衍生物也主要是通过氧化石墨烯改性而得到的。

2.石墨烯及其衍生物在散热材料方面的应用

随着电子工业技术的不断发展，现代化的电子电器正在朝着体积小、能量密度高的方向发展，并且这种发展趋势越来越剧烈。目前针对高能量密度电子元器件散热主要由两种方式，一种是利用热界面材料将热点与热沉进行连接，通过填补二者之间的空隙，使得热点的热量能够迅速通过热沉散发。同时，为了加快热点热量在平面上的均匀分散，散热片（Heat Spreader）也被应用到了微电子散热领域。

单层或多层的石墨烯本身就可以用作散热材料。Gao等，将CVD法生长的单层或多层氧化石墨直接转移到热点以及热点所处的界面上，利用石墨烯极高的横向热导率，通过分散热点热量，达到降低热点温度的作用。在热流为430W/cm2时，通过转移单层石墨烯，热点温度较之前降低了13℃；通过转移6-10层的多层石墨烯，热点温度也有8℃左右的降低。Yan等，将CVD法生产的石墨烯直接转移至电子元器件表面，转移的石墨烯充当桥梁的作用，将电子元器件工作时产生的热量以极高的效率传递至石墨烯另一端连接的热沉上，也起到了降低其工作温度的作用。

将石墨烯通过物理掺杂的方式，加入到热界面材料中，也可以相应地提高其热率，加快热量在热点与热沉之间的传递，起到降低热点温度的作用。Shahil等，通过将机械剥离的石墨烯通过高速搅拌与环氧树脂进行混合并且固化，得到的复合材料被用作热界面材料（Thermal Interface Material）进行热传导。结果显示，当体系内石墨烯的体积分数达到10%时，复合材料的热导率较原有提高了2300%。而且将这种机械剥离法生产的石墨烯与商用导热硅脂进行高速搅拌混合，质量分数为2%时，复合材料热导率便由原来的5.8W/m·K提高至14W/m·K。

虽然上述方式在石墨烯散热方面都取得了较好的效果，但无论是CVD法生产石墨烯，还是机械玻璃、溶剂玻璃，其生产成本及产量都十分有限，无法进行大规模制备。氧化石墨烯作为石墨烯的氧化产物，其部分保留了石墨烯高导热率的特点，同时，由于氧化反应带来的羟基（-OH）、羧基（-COOH）等官能团，又使其容易进行共价键改性，增强其在高分子基体内的相容性，提高分散效果。

Yong等，先通过Hummers’法制备了氧化石墨烯，然后将其用维生素C还原，然后通过抽滤方式形成石墨烯散热片，其热导率在散热片厚度为20um时，便可达到1600W·m-1·K-1。而后，利用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）对氧化石墨烯进行共价改性，获得了功能化氧化石墨烯连接层。然后通过旋涂的方式，将APTES功能化氧化石墨烯连接在测试芯片上，而后将制备的石墨烯散热片加载在测试芯片上，利用功能化氧化石墨与石墨烯散热片和热点之间形成的共价键实现热量的快速传导与分布。经过APTES功能化氧化石墨烯与石墨烯散热片的负载后的芯片热点温度较裸芯片有接近10℃的下降。证明了这类经功能化的石墨烯衍生物不仅可以有效降低界面温度，而且较一般材料相比，具有大量制备的潜能。

3.前景与展望

目前，对石墨烯的研究已日趋成熟，但石墨烯在散热材料方面的应用依然没有得到大规模的推广。例如，现在的智能手机散热依然通过石墨片进行。石墨烯的大规模、高质量生产依然是其实现大规模应用的瓶颈。而如何实现石墨烯与热点之间有效的化学链接，尽可能降低其间的界面热阻，也需要继续探索与研究。相信凭借石墨烯的优异性能，它一定能够取代现有的石墨薄膜，成为市场主流。

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