1630 W/(m・K) 超高导热！川大团队突破石墨烯厚膜制备瓶颈！纳米银无缝键合技术- 200℃至 400℃，1200 次热冲击性能稳定

背景介绍

高功率器件散热需求迫切，石墨烯厚膜较传统薄膜更具潜力，但制备存在瓶颈：增加氧化石墨烯浓度会降低取向性与热导率；多层粘结则界面弱、热阻大且高温不稳定。面向极端环境应用，开发大厚度、高导热且结构稳定的石墨烯厚膜成为关键突破。

研究成果

近日，四川大学高分子科学与工程学院、高分子材料工程国家重点实验室的陈枫教授团队提出一种新型石墨烯厚膜组装策略，通过蒸发沉积和热压工艺实现纳米银与石墨烯薄膜的无缝、牢固粘结，成功制备出石墨烯 – 银厚膜（GTF – Ag）。

该复合材料采用纳米银作为粘结层，通过优化沉积厚度（200 nm）实现界面无缝连接与低热阻。基于石墨烯薄膜-纳米银协同设计，GTF-Ag200在厚度达200 μm时面内热导率高达1630 W/(m·K)，仅比原始40 μm厚薄膜降低5%（传统厚膜同厚度下降17%），贯穿面热导率7.6 W/(m·K)与原始膜持平，热通量承载能力突出。材料密度仅2.21 g/cm³，保持轻质且力学性能优异，在-200℃至400℃宽温区内结构稳定，经1200次热冲击后无分层、热导率几乎不变。实际散热测试中，GTF-Ag200温度响应更快，热点温度降至59.2℃（较传统厚膜低5.7℃），稳态温度降至室温仅需32秒。

该材料制备工艺通过真空蒸发和热压两步即可完成，具备规模化应用潜力，为高功率电子器件和极端环境下的热管理提供了高效、可靠的解决方案。相关研究成果以 “Graphene Thick Films with Ultra-High Thermal Conductivity and Robust Stability via Seamless Nano-Silver Bonding Strategy for Extreme Thermal Management” 为题，将发表于《Carbon》。

链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121256

图文摘要

图1. GTF – Ag200 的制备机制与性能对比图。(a) 真空蒸发机制示意图，展示了在高真空环境下，银靶热蒸发产生原子蒸汽，随后沉积到石墨烯薄膜表面形成固态纳米银膜的过程；(b) 石墨烯薄膜（GFs）和石墨烯 – 银薄膜（GFs – Ag）的实物照片，原始石墨烯薄膜表面呈灰色，而石墨烯 – 银薄膜表面呈现出镜面状的银光泽；(c) 石墨烯厚膜（GTFs）和石墨烯 – 银厚膜（GTFs – Ag）的制备过程示意图，清晰呈现了从石墨烯薄膜到最终复合厚膜的制备流程；(d) GTF – Ag200 与已报道的石墨烯厚膜在热导率和薄膜厚度方面的对比，凸显了 GTF – Ag200 在大厚度下仍保持超高热导率的优势；(e) GTF – Ag200 与其他已报道石墨烯厚膜的 k×h 值对比，直观展示了其优异的热通量承载能力。

图2. 石墨烯薄膜及石墨烯 – 银薄膜的表面形貌与 XRD 图谱。(a) 石墨烯薄膜（GF）和不同银层厚度的石墨烯 – 银薄膜（GFs – Ag）的表面粗糙度数据，其中 GF 的表面粗糙度为 0.41 μm，引入球形银纳米颗粒后，GFs – Ag 的表面粗糙度发生变化，GF – Ag100 具有最低的表面粗糙度；(b)-(e) 样品表面形貌的 SEM 图像，(b) 为原始石墨烯薄膜的表面，呈现典型的褶皱结构；(c)-(e) 分别为 GF – Ag50、GF – Ag100、GF – Ag200 的表面，可见银纳米颗粒尺寸均匀，在石墨烯薄膜表面（包括褶皱区域）连续均匀分布；(f)-(g) 不同银层厚度的 GFs – Ag 的 XRD 图谱，仅检测到银（111）晶面的特征峰，未观察到氧化银的特征峰，且随着银膜厚度增加，石墨烯 002 衍射峰强度显著减弱，银纳米颗粒的晶粒尺寸逐渐增大，其中 GF – Ag200 的晶粒尺寸最大，达 56.7 nm。

图3. 不同温度处理后石墨烯 – 银薄膜的表面与截面 SEM 图像及界面作用示意图。(a)-(c) 200℃ 处理后 GFs – Ag 的薄膜表面 SEM 图像，(a) GF – Ag50、(b) GF – Ag100、(c) GF – Ag200，可见不同银层厚度的薄膜表面银颗粒形态存在差异；(d)-(f) 300℃ 处理后 GFs – Ag 的薄膜表面 SEM 图像，(d) GF – Ag50、(e) GF – Ag100、(f) GF – Ag200，此时所有银纳米颗粒均完全熔化，GF – Ag50 和 GF – Ag100 表面的银聚集成数百纳米至 1 μm 的球形大颗粒，GF – Ag150 表面银熔化后相互连接形成 “颈部” 结构，而 GF – Ag200 和 GF – Ag250 表面形成连续的层状银网络；(g)-(h) 300℃ 处理后 GFs – Ag 的薄膜截面 SEM 图像，(g) GF – Ag50、(h) GF – Ag100，清晰展示了石墨烯 – 银界面，球形银颗粒牢固地锚定在石墨烯薄膜表面；(i) 石墨烯与银处于平衡和分离状态的示意图，用于阐释两者之间的界面作用。

图4. GTF – Ag200 的截面、力学性能及液氮冲击测试结果。(a) GTF – Ag200 截面的 SEM 图像及对应的银（Ag）和碳（C）元素 mapping 图像，显示出紧凑的层状结构，四层银粘结层清晰可见；(b) T – 剥离强度测试示意图，以及石墨烯薄膜表面、剥离后 GTFs 和 GTFs – Ag 的表面及其对应的光学显微镜图像，对照组 GTF 样品的剥离表面为光滑完整的原始石墨烯薄膜表面，而 GTFs – Ag 的剥离表面可见被胶带剥离的石墨烯层；(c) GTFs 和 GTFs – Ag 的粘结应力 – 距离曲线，GTF 的剥离强度仅为 0.5 N/m，而 GTFs – Ag 的剥离强度约为 4.8 N/m；(d) 拉伸剪切强度测试示意图；(e) GTF 和 GTFs – Ag 的拉伸剪切应力 – 应变曲线，GTF 在应变 1.2% 时的剪切强度为 167 kPa，而 GTF – Ag200 在应变 2.2% 时的剪切强度提升至 310 kPa；(f)-(h) 液氮冲击后 GTFs – Ag 截面的 SEM 图像，(f) GTF – Ag50 出现部分分层，(g) GTF – Ag100、(h) GTF – Ag200 则表现出优异的结构稳定性，无分层现象。

图5. 石墨烯 – 银界面形貌、XRD 图谱及拉伸应力 – 应变曲线。(a) GTFs – Ag 的石墨烯 – 银界面表面形貌的光学显微镜图像；(b) GTF – Ag100 和 GTF – Ag200 内部石墨烯 – 银粘结界面表面形貌的 SEM 图像，以及 GTF – Ag200 对应的 C 和 Ag 元素 mapping 图像，显示出不同银层厚度下的界面粘结形态，GTF – Ag200 实现了连续无缝粘结；(c)-(d) GTFs – Ag 的 XRD 图谱，随着银层厚度增加，银（111）晶面对应的峰强度逐渐增强，与 GFs – Ag 相比，热压后银衍射峰的半高宽显著减小，晶粒尺寸大幅增加；(e) GTF 和 GTFs – Ag 的拉伸应力 – 应变曲线，所有厚膜表现出相似的应力 – 应变行为，在约 3% 应变时发生屈服，在约 15% 应变时达到极限拉伸强度，表明银粘结层未损害原始石墨烯薄膜固有的韧性。

图6. 不同组装层数的 GTFs 和 GTFs – Ag200 的性能及 GTFs – Ag 的界面形态示意图。(a) 不同组装层数的 GTFs 和 GTFs – Ag200 的密度，两者均保持了较高的密度，GTF – Ag200 密度与原始石墨烯薄膜几乎一致；(b) 不同组装层数的 GTFs 和 GTFs – Ag200 的面内热导率，200 μm 厚的 GTF 面内热导率为 1430 W/(m・K)，降低了 17%，而 GTF – Ag200 的面内热导率达 1630 W/(m・K)，仅降低 5%；(c) 不同组装层数的 GTFs 和 GTFs – Ag200 的贯穿面热导率，GTF – Ag200 贯穿面热导率与原始石墨烯薄膜相比几乎无下降；(d) 不同银层厚度的 GTFs – Ag 的面内热导率和密度，随着银层厚度增加，密度和热导率呈现先降低后升高的趋势；(e) GTF 和 GTFs – Ag 的粘结界面示意图，展示了不同银层厚度下界面的粘结状态；(f) GTFs – Ag 粘结界面表面形态的示意图，直观呈现了银层在界面处的分布与结合情况。

图7. 不同温度处理后样品的表面状态、热导率稳定性及散热性能测试结果。(a) 不同温度处理后 GF 和 GFs – Ag 的薄膜表面实物照片（白色标尺代表 1 cm），GF 在 400℃ 处理后表面出现约 1 mm 大小的气泡，而 GF – Ag200 在 400℃ 处理后仍保持完整，仅在 500℃ 处理后才出现气泡；(b) 不同温度处理后 GTF 和 GTF – Ag200 的面内热导率，插图为不同温度处理后样品的实物照片，GTF 经高低温处理后热导率显著下降，而 GTF – Ag200 热导率无明显变化；(c) 不同热冲击循环后 GTF – Ag200 的面内热导率变化，插图为 1200 次热冲击循环前后 GTF – Ag200 的实物照片，经过 1200 次热冲击循环后，其热导率几乎保持不变，粘结界面无分离现象；(d) GTF 和 GTF – Ag200 在热源加热和散热过程中的红外热像图；(e) GTF 和 GTF – Ag200 在热源加热和散热过程中的温度曲线，GTF – Ag200 具有更快的温度响应速率和更好的散热效果；(f) GTF – Ag200 的结构稳定性和热导率综合展示图，凸显了其在热管理材料中的优异性能。