石墨烯导热散热功能涂层增强机制

高质量石墨烯导热散热功能涂层，具有优异性能，和广泛应用，源自于高质量石墨烯具有的高热导率，高辐射率，以及高吸收率。

热量传递，主要通过传导、对流和辐射三种方式。石墨烯增强功能涂层，涂覆于高温器件、设备、散热结构表面，实现高效散热降温效果，或吸收热量应用，在于其同时具有高热导率，高辐射率，和高吸收率。

石墨烯超高热导率

热导率(Thermal Conductivity)，由Fourier定律，指在单位长度材料内，单位时间内，单位温差下，通过单位截面的传导的热量，单位W/m.K。‍

石墨烯具有超高热导率，主要由于碳原子之间具有强的sp²杂化共价结构，和比较轻的碳原子质量，贡献了优异导热性能。导热机制主要为声子和电子的热量传导。

室温下纯净无缺陷的自由悬浮的石墨烯热导率可高达5300 W m^-1K^-1，为普通金属的10多倍，是目前室温材料中导热之最。

表1.高质量石墨烯材料的超高热导率。

图1. 高质量石墨烯的超高热导率

石墨烯高辐射率、吸收率

热辐射，定义为有温度的物体以电磁波形式辐射热量的现象。物体的辐射能力越大，吸收能力也越大，黑体的辐射率和吸收率，接近为100%。辐射导热机制为微观粒子变化激发光子及在介质中的传播过程，热辐射的Stenfan-Boltzmann定律：

石墨烯及石墨烯涂层，接近黑体，具有高的热辐射率，和吸收率，>95%,也是普通金属的5-10倍。

结合石墨烯高热导率，热结构将热量传递至石墨烯涂层，95%以上的热量将以中远红外辐射散热(1-25 μm)到外界，起到良好导热散热作用。

当有热量以光波形式的传递到石墨烯及其涂层表面时，石墨烯涂层能将投射到它表面的热射线几乎95%以上全部吸收。

表2.对比金属材料，石墨烯热辐射率。

图2. 石墨烯导热散热涂层高辐射率

图3. 石墨烯导热散热涂层辐射能谱曲线。

石墨烯导热散热涂层广泛应用

可广泛应用于基站、路由器、手机、电脑、激光器等高功率密度的电子产品散热，在5G基站散热应用中，石墨烯涂层对比未涂层散热器，实现25℃的降温优势。

LED工矿灯、汽车LED灯、汽车水箱散热器、景观灯散热片、变压器、散热器、换热器、冰箱蒸发器、踢脚线取暖散热器、机柜、太阳电池等散热应用。

苏州格瑞丰石墨烯导热散热涂层应用案例

5G 石墨烯涂层散热器

LED 石墨烯涂层散热器

踢脚线石墨烯涂层取暖器

汽车LED灯、景观灯石墨烯涂层散热器

变压器石墨烯涂层散热器

图3.石墨烯散热涂料的广泛应用

石墨烯声子传热

热量是通过晶体结构传递。声子(Phonon)，晶格振动的量子化，可以传递热量，散射电子，影响光与物质的相互作用。与电子类似，也有其角频率-波失声子色散关系。

石墨烯的声子色散关系中，声学支有3支，光学支有支。石墨烯热导率性质由3种声学声子提供了90%以上的贡献：第一，纵向模式(面内LA)，原子振动方向沿着波的传播方向；第二，横向模式(面内TA)，原子振动方向和波传播方向垂直；第三，弯曲模式(面外ZA)，其震动是面外的。当声子之间只发生相互散射时，即不存在其他散射机制如缺陷和杂志，就会获得本征的最高热导率。

图4. 石墨烯晶体结构和声子色散关系。

声子热导率公式k~Cvl，C为比热，相比较于金刚石和硅，石墨烯有更多的低频声子模式，强的sp²共价结构，和比较轻的原子质量，因此，有更大的声子传递速度v，高于Si,Ge的4-6倍，和更长的声子平均自由程，l~600 纳米。影响声子传输的几种散射机制，包括边界、缺陷、衬底，声子-声子散射等，将影响热导率的大小以及随温度的变化关系。

石墨烯聚合物复合导热涂层

石墨烯的添加大大上改善了环氧聚合物复合体系的导热性能方面，苏州格瑞丰与中科院纳米所合作，采用高质量薄层石墨烯材料作为高导热填料，通过结构控制使高质量薄层石墨烯在聚合物基体中形成有取向的结构，该复合材料的导热系数可高达33 W/(mK)，导热性能超过了一些常见合金，如不锈钢和青铜 (约16.7 W/(mK) 和26.2 W/(mK) )。

图5. 高热导率石墨烯-环氧复合材料。

总结

石墨烯优异的导热性和热辐射性能，使石墨烯成为一种新型高性能散热材料，对电子、电器、设备和光电器件的导热散热，以及对涂层高导热散热提供了一种提高性能和增加功能的创新选择。

参考文献：

1. Balandin A A, Ghosh S, Bao W, Calizo I, Teweldebrhan D, Miao F, Lau C Superior thermal conductivity of single-layer graphene Nano Lett. 8 902-907, 2008.

2. Ghosh S, Calizo I, Teweldebrhan W, Pokatilov E P, Nika D L, Balandin A A, Bao W, Miao F, Lau C N, Extremely high thermal conductivity of graphene: Prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits Appl. Phys. Lett. 92151911.

3. Balandin A A, Thermal properties of graphene and nanostructured carbon , 2008materials Nature Mater. 10 569-581, 2011.

4.AABalandin. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials.  Nature materials 10 (8), 569-581, 2011

5. Qi Li, Yufen Guo, Weiwei Li, Shengqiang Qiu, Chao Zhu, Xiangfei Wei, Mingliang Chen, Chaojun Liu, Shutian Liao, Youpin Gong, Ananta Kumar Mishra, Liwei Liu*, Ultrahigh Thermal Conductivity of Assembled Aligned Multi-layer Graphene/Epoxy Composite, Chemistry of Materials, 2014, 26, 4459-4465.

苏州格瑞丰纳米科技有限公司

2022年7月9日