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石墨烯膜解“鱼和熊掌”不可兼得之困

发布时间:2017-06-12来源:中国教育报作者:周炜浏览次数:238

“具有超柔性,能被反复折叠6000次,还能承受弯曲10万余次。”通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜,成为目前导热率最高的宏观材料。

“电子电器工作时会发热,得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。”高超有些忧心忡忡,“但现有宏观材料的高导热和高柔性就像鱼和熊掌,难以兼得。” 

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性;同时,单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。它的出现,为解决上述矛盾提供了理论上的可能。

然而遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,由其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)

这该如何是好?

在高超的办公室里,一片边长20厘米、看上去很像一片大大的即食海苔的石墨烯组装膜分外惹人注目。

“这10微米厚的‘海苔’,是由数千层单片石墨烯交叠而成的。”高超介绍,该石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲,而不影响其导热导电性能。且在反复折叠6000次后仍不会断裂。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK,接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。

石墨烯膜是如何由“脆”变“柔”,并兼顾良好的导热性能的?

“我们提出了一种‘大片微褶皱’的设计思路,在制备石墨烯膜的过程中引入许多微小褶皱,让石墨烯膜成为一种‘能屈能伸’的材料。”高超介绍,将石墨烯膜高温加热,膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体,使石墨烯膜内部形成微气囊;再经过机械辊压成膜,微气囊的气体被排出,形成微褶皱。

随后,课题组将这一石墨烯膜替代商用GPI膜应用于手机散热膜上发现,手机CPU处的温度可控制在33℃以下,相对商用GPI膜降低了6℃。

“该项成果使得很多大面积多功能的二维材料能应用到现实世界的柔性器件中,从航空航天到智能手机,不一而足。”当该成果发表于材料科学领域的国际领先学术杂志之一《先进材料》上,即受到高度评价。

(本文刊登于《中国教育报2017年6月12日07版》)