Pokrok ve výzkumu grafenových tepelně vodivých materiálů
1. Stav výzkumu grafenového tepelného filmu
Grafen je šestičlenná kruhová struktura obsahující uhlík s hybridní strukturou sp2 a různé fyzikální a chemické vlastnosti jsou velmi stabilní. Ve srovnání s tradičními kovovými materiály, jako je měď a hliník, má grafen vyšší tepelnou vodivost v rovině. Díky své speciální struktuře má grafen nižší hustotu, dobrou tepelnou stabilitu, ultra vysokou elektrickou vodivost, vynikající propustnost světla a lepší mechanické vlastnosti. Grafen je ideální volbou jako aditivní složka tepelně vodivých materiálů. Současně může být grafenový film použit jako chladič v elektronických součástkách, připevněných k povrchu elektronických součástek, které snadno generují teplo a rovnoměrně rozptylují teplo generované zdrojem tepla. Mezi nimi je nejvyšší tepelná vodivost a nejlepší efekt odvodu tepla umělý grafitový tepelně vodivý film získaný z polyimidového filmu grafitizačním procesem. Tepelná vodivost ve směru roviny může dosáhnout 700 ~ 1950W∙m-1∙K-1 a tloušťka je 10 ~ 100 μm, s dobrou tepelnou vodivostí.
Wang Wen a kol. přidali grafenové nanodesky do polypropylenu, což může zvýšit jeho tepelnou vodivost až 14krát. Chen et al. kompaundaloval grafen a nanocelulózu prostřednictvím vakuové filtrace, což výrazně zlepšilo tepelnou vodivost a mechanické vlastnosti kompozitního filmu z nanovlákenu grafen/celulóza. Song et al. zkombinovali grafen a nanocelulózu do hybridního filmu celulózy/redukovaného oxidu grafenu prostřednictvím samouspořádávání vrstvy po vrstvě, vykazující vysoce uspořádanou vrstvenou strukturu. Kombinace matrice a grafenu však spotřebovává spoustu energie a nemůže dosáhnout velkovýroby.
V této souvislosti má studium grafenových filmů s vysokou tepelnou vodivostí dva důležité významy. Jedním z nich je, že vzhledem k vysokým nákladům na umělé grafitové fólie a obtížnosti přípravy vysoce kvalitních polyimidových fólií průmysl doufá, že grafenové filmy s vysokou tepelnou vodivostí mohou být použity jako alternativní plán. Za druhé, vzhledem k rostoucí poptávce po odvodu tepla v elektronických výrobcích vyžadují nová řešení odvodu tepla nejen vysokou tepelnou vodivost tepelně vodivého filmu, ale také určitou tloušťku tepelně vodivého filmu, aby se zvýšil tok vedení tepla ve směru roviny. V umělém grafitovém filmu má grafitizovaný polyimidový tepelně vodivý film vzhledem ke stupni polyimidové molekulární orientace vyšší tepelnou vodivost pouze tehdy, když je tloušťka malá. Grafenový tepelný film lze snadno vytvořit do tlustého tepelného filmu (~ 100 μm), který má dobré vyhlídky na použití v systému tepelného managementu nových elektronických zařízení.
2. Technický výzkum tloušťky grafenového filmu
Příprava silnějšího grafenového tepelně vodivého filmu je v současné době horkým výzkumným tématem. Teoreticky řečeno, pro zvýšení tloušťky grafenového filmu lze použít pouze silnější grafenoxidový film. Ve skutečném provozu však existují následující problémy: (1) Kvalita tlustého filmu tvořeného povlakem nože není vysoká. Vzhledem k nízké koncentraci disperze oxidu grafenu (méně než 10%) je zbytek oxidu grafenu voda, která vyžaduje dlouhou dobu k odpaření. Vločky oxidu grafenu interagují s molekulami vody prostřednictvím vodíkových vazeb a molekuly vody unikají, když se odpaří, takže vločky oxidu grafenu tvoří křížové vazby vodíkovými vazbami a vytvářejí na povrchu film podobný "mléčné kůži". Tento tenký film zpomaluje odpařování vody uvnitř disperze oxidu grafenu a způsobuje, že list oxidu grafenu má nekonzistentní orientaci, což snižuje kvalitu filmu.
(2) Je obtížné získat tlustý film jednostupňovou metodou. Vzhledem k nízké koncentraci disperze oxidu grafenu není možné připravit grafenoxidový film o tloušťce ~ 100 μm najednou bez ohledu na metody, jako je povlak nože, spinový povlak nebo postřik. Luo a kol. zjistili, že grafenoxidový film může být stále spojen s sebou pod podmínkou deionizované infiltrace vody poté, co byl odpařen do sucha. K tomuto jevu dochází, protože vrstvy oxidu grafenu jsou navzájem spojeny vodíkovými vazbami působením vody. Aby mohl být grafenoxidový film vložen jako papír. Zhang et al. použili podobnou metodu k nabobtnání připraveného grafenoxidového filmu ve vodě a jeho vložení vrstvy po vrstvě. Po vysušení, lisování za tepla, grafitizaci a lisování za studena byl získán ultra silný grafenový film o tloušťce 200 μm. Je to 1224 W∙m-1∙K-1 a efekt rozptylu tepla měřený infračervenou kamerou je lepší než u měděného, hliníkového a tenkovrstvého grafenového tepelného filmu. V současné době existuje relativně málo studií o přípravě grafenových filmů s vysokou tepelnou vodivostí o tloušťce 100 mikronů. Kromě bobtnání a lepení lze překrytí filmů oxidu grafenu dosáhnout také metodami, jako je elektrický ohřev a lepení kovových iontů. Grafenový film s tloušťkou mikronu a vysokou tepelnou vodivostí poskytuje nové nápady.
3. Výhled
S rozvojem rozsáhlé technologie přípravy grafenu může tepelná vodivost vysoce tepelně vodivého grafenového filmu připraveného na základě metody oxidu grafenu dosáhnout 2000 W∙m-1∙K-1. Tepelná vodivost grafenového filmu s vysokou tepelnou vodivostí je ekvivalentní s vysoce kvalitní grafitizovanou polyimidovou fólií pro průmyslové aplikace a má nižší náklady a lepší regulovatelnost tloušťky. Grafen, jako dvourozměrné tepelně vodivé plnivo, je zároveň snadné vytvořit trojrozměrnou tepelně vodivou síť v polymerní matrici a má dobré vyhlídky na použití v materiálech tepelného rozhraní. Zlepšením disperze grafenu v polymerní matrici a vybudováním trojrozměrné sítě tepelné vodivosti grafenu je tepelná vodivost kompozitů tepelného rozhraní naplněných grafenem několikrát vyšší než u polymerů a poměr plniva je nižší než u tradičních tepelně vodivých plniv. Grafen, ať už se používá jako samonosný tepelně vodivý film nebo jako tepelně vodivé plnivo pro materiály tepelného rozhraní, bude hrát důležitou roli v příští generaci aplikací pro odvod tepla elektronických součástek.
