研究背景：

隨著微電子集成與組裝技術(shù)的飛速發(fā)展以及高功率密度器件的集成使用，發(fā)熱量和耗散功率密度變得越來越大，嚴(yán)重影響電子元器件的穩(wěn)定性和使用壽命，因此散熱問題變得極其重要。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料以主要以金屬薄膜、石墨壓延膜、碳化聚酰亞胺膜等為主。金屬薄膜存在質(zhì)量重、易腐蝕、導(dǎo)熱率不高等缺點(diǎn)，而石墨壓延膜和碳化聚酰亞胺膜質(zhì)脆，使用過程中易掉粉，不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、潔凈度要求高的精密儀器管理領(lǐng)域。另一方面，傳統(tǒng)的碳化聚酰亞胺膜通常是采用間歇式作業(yè)生產(chǎn)，石墨化過程需要消耗大量的時(shí)間（加熱時(shí)間至少6~10 h，冷卻時(shí)間至少10 h）和能源（實(shí)驗(yàn)爐能耗至少50~70 KW/h）。

石墨烯膜是一種新型的導(dǎo)熱、散熱材料，面內(nèi)熱導(dǎo)率高，同時(shí)具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、良好機(jī)械性能等優(yōu)異特性，成為新興散熱材料的焦點(diǎn)。例如美國倫斯勒理工學(xué)院Jie Lian研究小組最先報(bào)道了導(dǎo)熱率為1434 W/mK的石墨烯導(dǎo)熱膜；浙江大學(xué)高超教授課題組采用超大片石墨烯作為結(jié)構(gòu)單元，石墨烯薄膜的導(dǎo)熱率高達(dá)2000 W/mK。為了提高石墨烯膜的導(dǎo)熱率，通常需要采用耗時(shí)耗能的高溫石墨爐進(jìn)行燒結(jié)，這大大增加了石墨烯導(dǎo)熱膜的成本。因此急需發(fā)展新的熱處理技術(shù)，提高石墨烯導(dǎo)熱膜的制備效率，降低制備成本。

本文亮點(diǎn):

（1）???設(shè)計(jì)了基于輥對(duì)輥的連續(xù)化電熱熱處理裝置；

（2）???實(shí)現(xiàn)了石墨烯導(dǎo)熱膜的快速連續(xù)化制備；

（3）???為低成本、高效率制備石墨烯導(dǎo)熱膜提供了新的解決方案。

圖文導(dǎo)讀：

近日，浙江大學(xué)高超（共同通訊）、許震（共同通訊）團(tuán)隊(duì)在前期工作的基礎(chǔ)和對(duì)前人工作的學(xué)習(xí)借鑒上，提出連續(xù)化電焦耳熱還原策略，設(shè)計(jì)并制備了基于輥對(duì)輥的電熱裝置，實(shí)現(xiàn)了石墨烯導(dǎo)熱膜的快速連續(xù)化制備，整個(gè)制備過程僅用時(shí)1 h，能耗低于3 KW。所制備的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)均勻，取向性好，并且導(dǎo)熱率達(dá)1285 W/mK，導(dǎo)電率達(dá)4.2×105 S/m。將制備的石墨烯導(dǎo)熱膜用于LED燈的熱管理，可以顯著降低LED燈背板的溫度，這對(duì)于提高LED燈的安全性能和延長使用壽命具有重要意義。

圖一:（a）連續(xù)電熱示意圖，（b）連續(xù)電熱裝置，（c）石墨烯膜電熱過程中的照片，（d）不同溫度的光譜圖，（e）所制備的柔性石墨烯導(dǎo)熱膜。

圖二:（a-c）石墨烯膜的表面形貌，（d-f）石墨烯膜的斷面形貌，（g）連續(xù)輥壓的電熱處理石墨烯膜的SAXS圖案，（h），未輥壓的石墨烯膜的SAXS圖案（i）SAXS方位角積分曲線，（j）石墨烯膜的力學(xué)性能。

圖三:（a-d）不同電熱溫度熱處理石墨烯膜的XPS（a,b）、XRD（c）Raman（d）表征，（e）石墨烯膜不同位置的拉曼光譜，間隔距離為1cm，（f）石墨烯膜電阻與測(cè)試長度的關(guān)系，表明制備的石墨烯膜宏觀尺寸均勻，（g-i）石墨烯膜的拉曼成像掃描，證明石墨烯膜微觀尺寸結(jié)構(gòu)均勻。

圖四：（a）紅外熱像儀測(cè)試石墨烯膜導(dǎo)熱率，（b）不同輸入功率下石墨烯膜的溫度分布曲線，（c）測(cè)試過程中石墨烯膜中點(diǎn)和端點(diǎn)溫度差與輸入功率的關(guān)系曲線，（d）商用LED燈，（e）商用LED燈的紅外熱像照片，（f）LED燈背板貼合石墨烯膜之后的紅外熱像照片，（g）使用石墨烯膜前后LED燈的溫度與工作時(shí)間的關(guān)系。

這一成果的取得也得益于高超團(tuán)隊(duì)之前的積累和對(duì)前人工作的學(xué)習(xí)借鑒。早在2011年，該研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯液晶性，并利用液晶進(jìn)行連續(xù)化紡膜，進(jìn)一步的制備了高柔性高導(dǎo)熱石墨烯膜。相關(guān)工作包括（Chem. Mater.,?2014,?26,67-86.;?Acc. Chem. Res.,?2014,47(4), 1267-1276.;?Chem.Rev., 2015,115(15),7046?7117.;?Adv.Mater., 2017,1700589.）。

該成果以“Rapid roll-to-rollproduction of graphene film using intensive Joule heating”為題發(fā)表在Carbon?(Carbon, 2019, 155,462-468)上，論文的第一作者為高超團(tuán)隊(duì)的博士后劉英軍。論文得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等相關(guān)經(jīng)費(fèi)的資助。

文獻(xiàn)鏈接:?https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.09.021

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