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浙大高超团队高导热超柔性石墨烯膜获新突破

来源:科学网 时间:2017-06-06

近日,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种高导热超柔性石墨烯组装膜,导热率最高达到2053W/mK,接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造宏观材料导热率的新纪录;同时该材料由微褶皱化大片石墨烯组装而成,具有超柔性,可被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。

这一最新成果解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望在高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域获得重要应用。文章发表在《Advanced Materials》,论文第一作者为博士生彭蠡。

电子电器工作时会发热,需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此,研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对矛盾,鱼和熊掌往往难以兼得。如,金属材料具有好的延展性,但其导热率最高值约为429W/mK。一些无机陶瓷材料的导热率更高,却很脆。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。这一重大科学难题近日被高超教授团队攻克,他们创造性地提出了“大片微褶皱”思路:大片石墨烯缺陷少,可实现高导热率;微褶皱使材料在拉伸弯折时有足够的应变空间,可确保高柔性。

高超告诉《中国科学报》记者,这一新思路实现起来倒很简便。三步即可完成:1) 大片氧化石墨烯水分散液通过刮涂成膜;2) 高温热处理,膜中的含氧官能团在高温下分解,释放出气体,同时随着温度的升高,石墨烯缺陷结构逐步修复,气体被阻隔在石墨烯膜内部,因膨胀形成微气囊;3) 机械辊压成膜,在外加压力下微气囊的气体被排出,形成微褶皱。

微褶皱往往是应力集中点,在外力作用下褶皱会产生弹性变形,局部褶皱会被拉伸展开形成永久形变。应力越大,被拉伸的褶皱越多,弹性形变和永久形变也就越明显。对比表明,具有大量微褶皱的石墨烯膜相对于传统GPI膜,其断裂伸长率提高了2-3倍,最高值可达到16%。石墨烯微褶皱的可延展性,使得它可以耐受反复折叠、打结、扭曲、指关节反复弯曲、折纸等多种复杂形变。

石墨烯的导热模式为声子导热,边界、空洞、官能团等都是声子逸散的缺陷。为此研究者使用了无碎片的超大片氧化石墨烯作为原料,以降低边缘声子逸散。同时,采用高温热处理,去除石墨烯表面的官能团并修复石墨烯内部孔洞,得到少缺陷的石墨烯结构。这些结构变化通过拉曼、XRD及透射电镜检测进行了确证。所得石墨烯膜的热导率平均值为1900 W/mK,最高值达到2053 W/mK m?1,超过了最好的GPI膜和其它宏观材料的导热率。

该工作受国家自然科学基金及国家重点研发计划资助。

文章链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700589/full

      文章转载自——科学网

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