用最新高導熱超柔性石墨烯膜折疊的千紙鶴

    通過巧妙設計，浙江大學高分子系高超教授團隊研發出一種新型石墨烯組裝膜：它是目前導熱率最高的宏觀材料，同時具有超柔性，能被反復折疊6000次，承受彎曲十萬次。這一進展解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的世界性難題，有望廣泛應用于高效熱管理、新一代柔性電子器件及航空航天等領域。

    相關論文Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films近日發表于Advanced Materials雜志，論文第一作者為博士生彭蠡。

    高超介紹，電子電器工作時會發熱，需要高效熱管理來保證其正常運行。新一代器件還要求可彎折性。因此，研究高導熱高柔性材料至關重要。但現有宏觀材料的高導熱和高柔性是一對魚和熊掌難以兼得的矛盾。

    石墨烯的出現為解決這一矛盾提供了理論上的可能。它是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面單層二維大分子。原子質量輕、簡單而又強力的鍵接結構賦予了它超高的導熱性；同時，單原子層厚度又使得其具有較好的柔性。遺憾的是，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，其組裝而成的宏觀材料導熱率和柔性都欠佳，還比不上商業化的聚酰亞胺石墨化膜（GPI）。比如，我們手機里的散熱膜，就是用GPI制成的。

    在高超教授的辦公室，記者見到了一片20厘米邊長的石墨烯組裝膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介紹，這10微米厚的“海苔”，是由數千層單片石墨烯交疊而成的。實驗測試表明，石墨烯膜可以耐受10萬余次的彎曲，而不影響其導熱導電性能，而且，在反復折疊6000次后仍沒有斷裂。此前性能最好的GPI最多只能反復折疊3次。同時這種石墨烯膜的導熱率最高達到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想單層石墨烯導熱率的40%，創造了宏觀材料導熱率的新紀錄。

    圖1. a） 市售智能手機背面；b） 手機處于待機狀態；c） 用聚酰亞胺石墨化膜（GPI）作為手機散熱膜；d） 同一部手機用新型石墨烯膜作為散熱膜；e, f） 在（b）， （c）， （d） 三種狀態下，手機的水平和垂直溫度線的比較，表明石墨烯膜具有更好的散熱降溫效果。

    柔軟而高導熱的性能，賦予我們無限的想象空間，比如，可折疊的手機、筆記本電腦，甚至衛星和航天器。課題組將這種石墨烯膜替代商用GPI膜，應用于手機散熱膜上，發現手機CPU處的溫度可以控制在33℃以下，相對商用GPI膜降低了6℃。如果把這層膜用到人造衛星上，就能很好地解決衛星的“向光背光”溫差大的問題。

    彭蠡說，電子元器件的散熱是器件開發一項很重要的課題。它們“怕熱”，是因為這些功率器件都有穩定工作的溫度區間。隨著溫度的升高，器件工作的穩定性會下降，噪音升高，并且壽命降低。一般來說，溫度提高8—10度，器件壽命會下降一半。據統計，電子產品失效的原因中，溫度占比達到50%以上。

    Advanced Science News評論認為，這項成果使得很多大面積多功能的二維材料能夠應用到現實世界的柔性器件中，從航空航天到智能手機，不一而足。

    科學家是如何讓石墨烯膜由“脆”變“柔”，并兼顧了良好的導熱性能呢？高超說，團隊提出了一種“大片微褶皺”的設計思路，在制備石墨烯膜的過程中引入了許多微小的褶皺，讓石墨烯膜成為一種“能屈能伸”的材料。就像女孩們的百褶裙，裙擺可以展開很大。

    如此細小的褶皺怎么制造？高超團隊想出了一種新穎的方法：將石墨烯膜高溫加熱，膜中的含氧官能團在高溫下分解釋放出氣體，使石墨烯膜內部形成微氣囊；再經過機械輥壓成膜，微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺。“就這么簡單”，高超說。Advanced Science News認為，這樣的設計理念和實驗策略能夠拓展至其他二維納米材料中。

    圖2. 石墨烯微褶皺的引入過程：高溫加熱還原形成微氣囊，機械輥壓形成微褶皺。

    延伸閱讀：

    浙江大學高分子系高超教授團隊長期致力于單層氧化石墨烯的規模化制備及其宏觀組裝研究，發現了氧化石墨烯的液晶性，發明了石墨烯纖維、石墨烯無紡布、石墨烯連續組裝薄膜及最輕材料石墨烯氣凝膠四種純石墨烯宏觀材料（簡稱F4），開發了低成本高質量單層氧化石墨烯、多功能石墨烯復合纖維、石墨烯高效電熱布、石墨烯超級電容器、石墨烯-鋁離子電池、石墨烯納濾膜等六大核心技術，這些成果產業化前景廣闊，部分已實現生產和中試。

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責任編輯：殷鵬飛

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