石墨烯的應(yīng)用前景-導(dǎo)熱篇.doc

石墨烯的應(yīng)用前景導(dǎo)熱篇一、石墨烯石墨烯又稱單層石墨，是一種二維納米材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米級材料。自從2004年被科研工作者證明其可以穩(wěn)定存在后，因其特殊納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，被公認(rèn)為21世紀(jì)的 “革命性材料”。石墨烯在光學(xué)、電子學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)藥學(xué)、催化劑、電池、超級電容器和傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景深遠(yuǎn)，石墨烯相關(guān)專利和研究文獻(xiàn)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長?？傮w看來，石墨烯技術(shù)開始進(jìn)入高速成長期，并大步向技術(shù)成熟期跨越。全球石墨烯技術(shù)研發(fā)布局競爭日趨激烈，各國的技術(shù)優(yōu)勢正在逐步形成。新興技術(shù)的發(fā)展離不開政策的支持與引導(dǎo)。在2010年石墨烯發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎以后，不僅全球科研界競相關(guān)注，各國政府也加大了石墨烯研發(fā)的支持力度，希望在這新一輪石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的競爭中搶占先機(jī)。在石墨烯大國中，歐盟成員國、美國、日本和韓國較先開展相關(guān)的戰(zhàn)略部署，出臺了各項(xiàng)支持政策和研究扶持計(jì)劃，走在了全球石墨烯研究與產(chǎn)業(yè)化的前列。全球針對石墨烯的研究都在進(jìn)行，截至到2010年，全球共有8434份相關(guān)的研究論文，共來自79個國家和地區(qū)，排名前十的國家發(fā)表的文獻(xiàn)量占總量的92.96%。美國在作為世界科學(xué)技術(shù)研究最發(fā)達(dá)的國家，其石墨烯研究方面的文獻(xiàn)量達(dá)2683份，占總量的31.81%。我國在石墨烯研究文獻(xiàn)發(fā)表量為1201份，占比14.24%，位居全球第二位。顯示出了我國在石墨烯領(lǐng)域不居人后，積極布局的決心。我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%。同時，我國是制造業(yè)大國。因此，我國對石墨烯的需求也比較強(qiáng)烈。目前，石墨烯的應(yīng)用仍然處于由研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的階段。2014年12月20日，寧波年產(chǎn)300噸的石墨烯規(guī)模生產(chǎn)線正式落成投產(chǎn)；2014年12月25日，南江集團(tuán)與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院合作的年產(chǎn)1000萬片大面積單層石墨烯薄膜生產(chǎn)線也正式啟動。此外，各地的石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及創(chuàng)新基地也紛紛成立，從事石墨烯產(chǎn)業(yè)的企業(yè)已突破千家。根據(jù)外媒Newswire5月2號發(fā)布的最新消息，據(jù)Innova Research公司的最新調(diào)研，2015年中國石墨烯的市場規(guī)模約為610萬美元，比2014年的140萬美元增長超過336%。初步構(gòu)建起以石墨烯原材料、研發(fā)、制備、應(yīng)用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈。東南沿海地區(qū)憑借其優(yōu)越的地理位置、便利的交通條件以及雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力涌現(xiàn)出一批具有規(guī)模效應(yīng)的石墨烯企業(yè)，其中長三角地區(qū)石墨烯產(chǎn)業(yè)化帶尤為突出。預(yù)計(jì)，國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)萬億元。不過，雖然我國在石墨烯制備方面取得了突破，但石墨烯的應(yīng)用仍然處于由研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的階段，萬億元的市場前景的確美好，但實(shí)現(xiàn)仍需要一個過程。二、三維石墨烯石墨烯由于片層間很強(qiáng)的-鍵相互作用和范德華力使它易于發(fā)生堆疊和團(tuán)聚，往往限制了石墨烯優(yōu)異性質(zhì)的發(fā)揮。為了克服這個缺陷，一個可能的解決辦法就是制備具有高電導(dǎo)率、大表面積、大孔隙率的三維結(jié)構(gòu)石墨烯。樹脂裂解制備三維石墨烯的方法，是利用經(jīng)過處理的自摻雜樹脂材料，經(jīng)過鎳做低溫石墨化催化劑，再用高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié)烘干，制備得到三維石墨烯粉體材料。這種樹脂裂解制備方法簡單、穩(wěn)定、高效解決了三維石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)問題。同時，用這一方法合成的三維多級孔自摻雜(氮、磷、硼等)類石墨烯材料具有其他碳材料包括商用石墨烯在內(nèi)的碳材料不具備的性質(zhì)，比如高比表面積、高導(dǎo)電性、自摻雜、多級孔結(jié)構(gòu)等。石墨散熱膜具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性、化學(xué)穩(wěn)定性、潤滑性和能涂敷在固體表面良好的工藝性能，因此在電子、通信、照明、航空及國防軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。理論上這些性能均能被石墨烯替代，而且石墨烯的大部分性能更高于石墨，例如：石墨烯的理論導(dǎo)熱率可高達(dá)30005000W/(mK)，是普通石墨導(dǎo)熱率（1800W/(mK)）的23倍。三維石墨烯在制備過程中可以選擇性的摻雜一些具有高導(dǎo)熱效應(yīng)的金屬元素粒子。這些金屬元素能夠促進(jìn)C元素的石墨結(jié)構(gòu)化減小某些非sp2雜化的石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷，并且其金屬元素粒子本身具有高導(dǎo)熱率，從而使得制備具有較高熱導(dǎo)率的三維摻雜石墨烯膜成為可能。三維石墨烯散熱膜極有希望成為一種具有廣泛應(yīng)用的新型高導(dǎo)熱材料。三、石墨烯散熱膜應(yīng)用石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)，遠(yuǎn)高于金屬中導(dǎo)熱系數(shù)最高的金、銀、銅、鋁等，而且具有良好的柔韌性，同時石墨烯具備的超高導(dǎo)電性能提供的電磁屏蔽性能使得石墨烯散熱膜具有更優(yōu)異的價值。因此石墨烯作為輔助散熱的導(dǎo)熱塑料或者膜片導(dǎo)熱性能強(qiáng)同時具備電磁屏蔽性能，具有巨大的應(yīng)用前景。將納米尺度的石墨烯制備成宏觀的薄膜材料并保持其納米效應(yīng)，同時減少其和基底的界面接觸熱阻，是石墨烯在散熱應(yīng)用的重要途徑。未來，石墨烯薄膜可作為柔性散熱體材料，滿足LED照明、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦、衛(wèi)星電路、激光武器等高功率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求。近年來，以智能手機(jī)、平板電腦、智能VR和可穿戴設(shè)備為代表的便攜式設(shè)備增長迅速，其硬件速率越來越高，隨之而來的高速運(yùn)算單元的散熱問題已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注。而且因?yàn)檫@些智能電子產(chǎn)品對重量和體積有著嚴(yán)格的要求，所以急需一類導(dǎo)熱高、密度小的傳熱材料。 手機(jī)和平板電腦被頻繁使用和進(jìn)行高速運(yùn)算時，內(nèi)部器件發(fā)熱量急劇增大，尤其是內(nèi)部的芯片、電池等。發(fā)熱量急劇增大一方面會引起設(shè)備溫度升高，造成手感不適；另一方面會導(dǎo)致設(shè)備的性能受到極大的影響，甚至是重啟或死機(jī)進(jìn)而可能引發(fā)危險。因此為了使得移動設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量能夠很快地散發(fā)出去，設(shè)備制造商都選擇給發(fā)熱單元貼上石墨散熱片，即石墨散熱膜。圖1 iPhone7plus石墨散熱片應(yīng)用CPU、GPU、Flash 芯片、內(nèi)存條、電池主板和LED是很多移動設(shè)備的發(fā)熱源，其上貼附一層石墨烯散熱膜有助于芯片散熱。同時，石墨烯的高導(dǎo)電性可以提供散熱性能同時提供良好的電磁屏蔽能力，這時硅膠散