一種用于電子器件熱管理的石墨烯薄膜

熱設計 2024-06-28

來源：ACS Applied Nano Materials

原文：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00958

01 背景介紹

石墨烯薄膜由于其耐腐蝕、輕質、柔韌性和潛在的高導熱性，在電子設備的熱管理中得到了廣泛的應用。目前，人們開發了許多制備獨立石墨烯薄膜的途徑，主要是采用高粘度氧化石墨烯(GO)作為前驅體由于氧化石墨烯具有許多含氧官能團，如羰基、環氧基和羥基，這些官能團在室溫下會加劇聲子散射，因此氧化石墨烯薄膜的導熱性極低。碳化過程可以去除氧化石墨烯薄片基面和邊緣的官能團，這是實現氧化石墨烯薄膜向石墨烯薄膜轉變所必需的。在碳化過程中，含氧官能團隨著氣態物質的形成而被除去。每克氧化石墨烯產氣量可達200 mL，質量損失約為40 wt %，產氣精礦溫度范圍為150 ~ 300℃。此階段產氣速率遠高于逸出速率，造成大量氣體聚集；因此，在300℃時，兩層氧化石墨烯之間的壓力達到40 MPa。如此高的壓力會使薄膜產生微氣囊，甚至破裂。微氣囊一旦形成，就很難完全消除。壓縮后，微氣囊被均勻分布在整個薄膜上的微褶皺所取代，微褶皺可以增強聲子散射，從而降低導熱系數。為了解決這個問題，已經提出了各種策略，與物理約束相比，化學還原可以精確地調節氧化石墨烯薄片上的氧含量。

02 成果掠影

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所，中國科學院炭材料重點實驗室陳成猛、姜東、賈輝團隊針對制備石墨烯薄膜炭化過程中大量氣體的產生和積聚會產生很高的氣體壓力從而破壞有序的堆疊結構影響石墨烯薄膜的導熱性的問題研究取得最新進展。在這項工作中，我們提出了一種二胺試劑交聯和減少氧化石墨烯的策略，以限制炭化過程中的體積膨脹。胺基與含氧官能團(?COOH，?C?O?C)發生親核取代和縮合反應，形成?C?N鍵，通過改變化學結構擴大產氣溫度范圍。與二甲氨基丙胺和n -異丙基乙二胺相比，具有對稱伯胺的乙二胺可以與氧化石墨烯充分反應，形成堅固的結構。基于這些觀察結果，與純石墨烯薄膜(分別為152.6%和980 W/mK)相比，乙二胺修飾的薄膜具有更低的膨脹率(115.2%)和更高的面內導熱系數(~ 1180 W/mK)。這項工作對制備高導熱石墨烯薄膜具有重要意義。研究成果以“Crosslinking Strategy for Constraining the Structural Expansion of Graphene Films during Carbonization: Implications for Thermal Management”為題發表在《ACS Applied Nano Materials》。