导热系数达 1994 W/(m·K)！熔融盐平整褶皱赋能石墨烯薄膜高效散热

背景介绍

电子器件热管理广泛使用石墨烯基宏观石墨膜，但薄膜内部褶皱、缺陷会引发强烈声子散射，大幅降低导热性能。现有研究多聚焦氧化石墨烯液相阶段调控褶皱，针对 3000 ℃高温石墨化过程产生的褶皱调控手段十分匮乏，高温下气体释放极易诱发片层起皱、膜体膨胀，制约高导热石墨膜的制备，亟需开发高温阶段褶皱抑制新策略。

研究成果

近日，由中国科学技术大学朱彦武教授、新加坡国立大学 Kostya S. Novoselov 教授团队联合攻关，提出钠基熔融盐调控方案。该方法利用前驱体中氢氧化钠与氧化石墨烯残余酸反应原位生成钠盐，在高温石墨化过程实现石墨烯褶皱平整。最优条件下薄膜褶皱密度降至传统样品的 1/37，表面粗糙度降为原先 1/5，同时显著抑制石墨化过程厚度膨胀。借助原位 XRD、原位拉曼与分子动力学模拟证实，熔融 NaCl 嵌入石墨烯层间，弛豫片层压应变、拉近相邻石墨烯片层，依靠位阻效应加速褶皱展平。10 μm 厚石墨膜实现 1994 W/(m·K)超高热导率；46 μm 薄膜热导率 1687 W/(m·K)、电导率 15625 S cm⁻¹，同时具备优异电磁屏蔽性能。该工艺为二维材料宏观组装膜的微观结构调控提供新思路，相关成果以《Molten Salt Planarizing of Graphene Wrinkles for Efficient Thermal Dissipation》发表于《Advanced Materials》。

图文速览

图1. 石墨宏观薄膜制备流程与多阶段微观结构演变表征。(a) 使用 NaOH 或氨水作为 pH 调节剂制备宏观石墨膜的流程示意图；(b) 氨水组膨胀石墨膜、(c) NaOH‑5 膨胀石墨膜、(d) NaOH‑8 膨胀石墨膜、(e) NaOH‑11 膨胀石墨膜的扫描电镜图；(f) 氨水组致密石墨膜、(g) NaOH‑5 致密石墨膜、(h) NaOH‑8 致密石墨膜、(i) NaOH‑11 致密石墨膜的扫描电镜图；(j) 膨胀石墨膜与致密石墨膜样品褶皱密度统计；(k) 致密石墨膜样品表面粗糙度；(l) 薄膜在还原、石墨化、压制全过程的厚度变化。

图2. 热处理过程钠盐演变与石墨烯层间行为表征。(a) NaOH‑8 还原氧化石墨烯薄膜、(b) 氨水组还原氧化石墨烯薄膜热处理过程原位 XRD 等高线图；(c) 提取得到的石墨烯特征峰与 NaCl 特征峰随温度的峰位变化；(d) 石墨烯特征峰与 NaCl 特征峰强度随温度变化；(e) 还原氧化石墨烯样品随热处理温度升高的厚度演变；(f) 700 ℃热处理后 NaOH‑8 还原氧化石墨烯薄膜扫描电镜图及钠、氯元素能谱面扫；(g) NaCl 夹层中相邻还原氧化石墨烯片层碳原子统计分布，插图为熔融前后 NaCl 插层分子动力学模拟快照。

图3. 薄膜三维孔结构、压应变演化与褶皱展平分子动力学模拟。(a) 氨水组膨胀石墨膜、(c) NaOH‑8 膨胀石墨膜三维显微 CT 重建得到的截面形貌；(b)(d) 分别展示蜂窝状孔、狭缝孔结构在受压时褶皱累积差异的机理示意图；(e) NaOH‑8 与氨水组样品拉曼 G 峰峰位以及石墨烯层相对压应变随温度变化曲线；(f) 有无熔融 NaCl 环境下褶皱石墨烯投影面积随模拟时间变化曲线，插图为有无熔融 NaCl 包裹的褶皱石墨烯模拟快照。

图4. 致密石墨膜截面形貌、取向度与拉曼 2D 带分析。(a) 氨水组、(b) NaOH‑5、(c) NaOH‑8、(d) NaOH‑11 致密石墨膜的截面扫描电镜图像；(e) 由方位角扫描谱计算得到致密石墨膜的赫尔曼取向因子，插图为方位角扫描轮廓；(f) 样品面内晶粒尺寸L_a与垂直面晶粒尺寸L_c统计；(g) 致密石墨膜样品拉曼 2D 谱带。

图5. 不同样品结构差异示意与薄膜热、电、电磁屏蔽性能。(a) 氨水对照组与 NaOH 系列致密石墨膜结构差异示意图；(b) 致密石墨膜样品热导率与电导率；(c) 本工作与已发表文献中不同厚度石墨膜热导率对比；(d) 厚度约 46 μm 的 NaOH‑8 致密石墨膜在 X 波段下总电磁屏蔽效能、反射屏蔽效能、吸收屏蔽效能。

链接：https://doi.org/10.1002/adma.74977