浙大制造出新型石墨烯膜材料:柔性好,导热强 解决世界难题

通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜:它是目前导热率最高的宏观材料,同时具有超柔性,能被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜:它是目前导热率最高的宏观材料,同时具有超柔性,能被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

浙大制造出新型石墨烯膜材料:柔性好,导热强 解决世界难题

高超教授

浙江大学高分子系纳米高分子课题组,由国家杰出青年基金获得者高超教授领衔,目前课题组共有教授1名、助理1名、博士后3名、博士生11名、硕士生5名、企业联合培养博士后1名。建有石墨烯、新能源材料、高分子化学3个实验室及1个“浙江大学-碳谷上希”联合研究中心。

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与浙大三位一体的中国碳谷科技集团和碳谷上希材料科技

团队长期致力于单层氧化石墨烯的规模化制备及其宏观组装研究,发现了氧化石墨烯的液晶性,发明了石墨烯纤维、石墨烯无纺布、石墨烯连续组装薄膜及最轻材料石墨烯气凝胶四种纯石墨烯宏观材料(简称F4),开发了低成本高质量单层氧化石墨烯、多功能石墨烯复合纤维、石墨烯高效电热布、石墨烯超级电容器、石墨烯-铝离子电池、石墨烯纳滤膜等六大核心技术,这些成果产业化前景广阔,部分已实现生产和中试。

高超,1973年1月出生,土家族,浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长。

1995年在湖南大学获得学士学位、1998年获硕士学位,2001年获上海交通大学博士学位。博士毕业后留上海交大任教,于2003年到2006年先后在英国Sussex大学和德国Bayreuth大学做访问学者和博士后研究。2008年被引进浙江大学,被评为教授、博士生导师。

围绕石墨烯化学、液晶及宏观组装开展研究,在Nature Communications (3篇),   Advanced Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Progress in Polymer Science, Materials Today等世界旗舰级科学期刊发表通讯作者和第一作者论文110余篇,文章共被他引5700多次,H因子39。

共同主编Wiley出版的英文专著1本《Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications》,为英文专著撰写6章,获中国发明专利授权23项。

担任国际期刊Colloid and Polymer Science地区主编。

曾入选或获得科技部“中青年科技创新领军人才计划”(2014)、国家杰出青年基金(2013)、浙江省“钱江人才计划”(2010)、上海市“浦江人才计划”(2007)、教育部“新世纪优秀人才计划”(2005)、第九届“霍英东基金”(2004)、上海市“青年科技启明星”(2003)等人才计划,获得浙江省青年科技奖(2013)、1项国家自然科学二等奖(排名第3)、1项上海市科学技术一等奖(排名第3)及全国优秀博士学位论文等奖励。

主要成果:(1)发现了氧化石墨烯液晶及二维胶粒的手性液晶相,提出并实现了连续石墨烯纤维;

(2)实现了高性能石墨烯纤维超级电容器和石墨烯基纳滤膜;

(3)采用非模板协同组装策略制备了超轻弹性气凝胶;

(4)发明了绿色、超快、安全的铁基法,可大量制备单层氧化石墨烯,突破了自1958年以来的高污染、易爆炸、长时间的传统制备方法。

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铁基法1小时内就可制备单层石墨烯。有望实现大规模工业应用

现在,成果里面又要加上这一心形的石墨烯组装膜。这一研究成果被Nature, Nature News, Scientific American等亮点评论,认为“实现了石墨烯在现实器件应用的关键一步”、“开辟了碳纤维制备的新途径”,被美、法、澳、中国等多个课题组跟进研究。

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2017年4月,材料科学的世界旗舰级期刊《Advanced  Materials》编辑部邀请浙江大学高新材料相关各研究组撰稿,以校庆专辑形式展示浙江大学在材料化学领域的研究成果,献礼浙江大学120周年校庆。

石墨烯纤维结入选Nature 2011 年度图片,为2005年以来唯一入选的中国科技成果。超轻气凝胶被Nature 两次高度评论。

获最轻固态材料吉尼斯世界纪录认证,授予世界创新论坛“金袋鼠”创新奖,入选两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻。

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用最新高导热超柔性石墨烯膜折叠的千纸鹤

此次最新高导热超柔性石墨烯膜研发成果的相关论文Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films近日发表于《先进材料》Advanced Materials杂志,论文第一作者为博士生彭蠡

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彭蠡,高分子科学与工程学系博士,曾以科学论文《快速规模化绿色制备氧化石墨烯》获得“启真杯”浙江大学2016年度学生十大学术新成果奖项

近日,浙大新闻办,钱江晚报等媒体记者采访了浙江大学高分子系高超教授团队。面对记者,高超教授介绍,电子电器工作时会发热,需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此,研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性;同时,单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。比如,我们手机里的散热膜,就是用GPI制成的。

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发现石墨烯的诺奖得主安德烈·海姆,浙大名誉教授,石墨烯的发现就值一个诺贝尔奖,新型石墨烯组装膜未来上到航空航天,下到智能手机都可应用,其价值就更是大的不可估量了

在高超教授的办公室,记者见到了一片20厘米边长的石墨烯组装膜,看上去很像一片大大的即食海苔。高超介绍,这10微米厚的“海苔”,是由数千层单片石墨烯交叠而成的。实验测试表明,石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲,而不影响其导热导电性能,而且,在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK(瓦/米·度),接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。

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图1. a) 市售智能手机背面;b) 手机处于待机状态;c) 用聚酰亚胺石墨化膜(GPI)作为手机散热膜;d) 同一部手机用新型石墨烯膜作为散热膜;e, f) 在(b), (c), (d) 三种状态下,手机的水平和垂直温度线的比较,表明石墨烯膜具有更好的散热降温效果。

柔软而高导热的性能,赋予我们无限的想象空间,比如,可折叠的手机、笔记本电脑,甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜,应用于手机散热膜上,发现手机CPU处的温度可以控制在33℃以下,相对商用GPI膜降低了6℃。如果把这层膜用到人造卫星上,就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。

彭蠡说,电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题。它们“怕热”,是因为这些功率器件都有稳定工作的温度区间。随着温度的升高,器件工作的稳定性会下降,噪音升高,并且寿命降低。一般来说,温度提高8—10度,器件寿命会下降一半。据统计,电子产品失效的原因中,温度占比达到50%以上。

科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”,并兼顾了良好的导热性能呢?高超说,团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路,在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱,让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。就像女孩们的百褶裙,裙摆可以展开很大。如此细小的褶皱怎么制造?高超团队想出了一种新颖的方法:将石墨烯膜高温加热,膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体,使石墨烯膜内部形成微气囊;再经过机械辊压成膜,微气囊的气体被排出,形成微褶皱。“就这么简单”,高超说。

浙大制造出新型石墨烯膜材料:柔性好,导热强 解决世界难题

图2. 石墨烯微褶皱的引入过程:高温加热还原形成微气囊,机械辊压形成微褶皱

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论文截图,褶皱在折叠过程中极大增强了膜承受弯曲的能力

Advanced Science News评论认为,这项成果使得很多大面积多功能的二维材料能够应用到现实世界的柔性器件中,从航空航天到智能手机,不一而足。

Advanced Science News认为,这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

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