グラフェン熱伝導性材料の研究

1. グラフェン熱フィルムの研究状況

グラフェンは、sp2ハイブリッド構造を有する炭素含有6部材環構造であり、様々な物理的および化学的特性が非常に安定している。銅やアルミニウムなどの従来の金属材料と比較して、グラフェンは面内熱伝導率が高くなっています。グラフェンは特殊な構造を持ち、低密度、熱安定性が良好、超高い導電性、優れた光透過率、機械的特性が優れています。グラフェンは熱伝導性材料の添加成分として理想的な選択である。同時に、グラフェンフィルムは、電子部品のヒートシンクとして、発熱しやすい電子部品の表面に取り付けられ、熱源によって発生する熱を均一に分散させることができる。中でも、熱伝導率が最も高く、熱放散効果が最も高いのは、ポリイミドフィルムから得られた人工グラファイト熱伝導フィルムをグラファイト化プロセスで行う。平面方向の熱伝導率は700〜1950W∙m-1∙K-1に達し、厚さは10〜100μmで、熱伝導性は良好です。

Wang Wenらはグラフェンナノシートをポリプロピレンに添加し、熱伝導率を14倍も高めることができる。Chenらら、グラフェンとナノセルロースを真空濾過により複合化し、グラフェン/セルロースナノファイバー複合フィルムの熱伝導性および機械的特性を大幅に向上させた。Songら. グラフェンとナノセルロースを組み合わせてセルロース/還元型グラフェンハイブリッド膜に層ごとの自己集合体を通して、高度に順序付けられた層構造を示す。しかし、マトリックスとグラフェンの組み合わせは多くのエネルギーを消費し、大規模な生産を達成することはできません。

この文脈において、高熱伝導性グラフェンフィルムの研究は2つの重要な意味を持つ。一つは、人工グラファイトフィルムのコストが高く、高品質のポリイミドフィルムを調製するのが難しいため、業界は高い熱伝導性グラフェンフィルムを代替計画として使用できることを期待しているということです。第2に、電子製品の放熱需要の高まりにより、熱伝導性フィルムの熱伝導率が高いだけでなく、熱伝導性フィルムの厚さも必要とされ、平面方向の熱伝導束が増加します。人工グラファイトフィルムでは、ポリイミドの分子配向の程度に起因して、熱伝導性フィルムのグラファイト化は、厚みが小さい場合にのみ熱伝導率が高い。グラフェン熱フィルムは、新しい電子機器の熱管理システムでの応用見通しが良い厚い熱フィルム(約100μm)に作られやすい。

グラフェンフィルム厚さに関する技術研究

より厚いグラフェン熱伝導性フィルムの調製は、現在、研究のホットなトピックです。理論的に言えば、グラフェン膜の厚さを大きくするために、より厚い酸化グラフェン膜のみを適用することができる。しかし、実際の動作には以下の問題がある:(1)ナイフコーティングによって形成される厚膜の品質が高くない。酸化グラフェン分散液の濃度が低いため(10%未満)、残りのグラフェン酸化物は水であり、蒸発するのに長い時間が必要です。酸化グラフェンフレークは水素結合を通じて水分子と相互作用し、蒸発すると水分子が逃げ出し、酸化グラフェンフレークが水素結合を介してクロスリンクを形成し、表面に「乳皮膚」のような膜を形成します。この薄膜は、グラフェン酸化物分散液内の水の蒸発を遅くし、酸化グラフェンシートの配向が一致しなくなり、膜の品質が低下する。

(2)ワンステップ法で厚膜を得ることが困難である。酸化グラフェン分散液の濃度が低いため、ナイフコーティング、スピンコーティング、スプレーなどの方法に関係なく、一度に〜100μmの厚さのグラフェン酸化膜を調製することができない。 Luo et al. は、酸化グラフェン膜が蒸発した後に蒸発した後に脱イオン水浸潤の条件下で互いに結合できることを発見した。この現象は、酸化グラフェン層が水の作用下で水素結合を介して互いに接続されているために起こります。酸化グラフェン膜を紙のように貼り付けることができるように。 Zhangらは、同様の方法を用いて、調製したグラフェン酸化膜を水に膨らめ、層ごとにペーストした。乾燥後、熱圧、グラファイト化、およびコールドプレスを行った後、厚さ200μmの超厚グラフェンフィルムが得られた。1224 W∙m-1∙K-1であり、赤外線カメラで測定した放熱効果は、銅、アルミニウム、薄層グラフェン熱フィルムよりも優れています。現在、100ミクロン厚高熱伝導性グラフェンフィルムの作製に関する研究は比較的少ない。膨潤と接合に加えて、酸化グラフェン膜の重なりは、電気加熱や金属イオン接合などの方法によっても達成できる。マイクロン厚さと高い熱伝導率を持つグラフェンフィルムは、新しいアイデアを提供します。

3. 見通し

大規模なグラフェン調製技術の開発により、グラフェン酸化物法に基づいて作製される熱伝導性の高いグラフェン膜の熱伝導率は、2000W∙m-1∙K-1に達する可能性があります。高熱伝導性グラフェンフィルムの熱伝導率は、工業用に高品質のグラファイト化ポリイミドフィルムと同等であり、低コストで厚み制御性が向上しています。同時に、グラフェンは、2次元熱伝導性フィラーとして、ポリマーマトリックス内に3次元熱伝導性ネットワークを構築しやすく、熱界面材料における良好な応用見通しを有する。高分子マトリックス中のグラフェンの分散を改善し、3次元グラフェン熱伝導性ネットワークを構築することにより、グラフェン充填熱界面複合材料の熱伝導率はポリマーの熱伝導率よりも数倍高く、フィラー比は従来の熱伝導性フィラーよりも低くなります。グラフェンは、自己支持性熱伝導性フィルムとして、または熱界面材料の熱伝導性フィラーとして使用されるかどうかにかかわらず、次世代の電子部品放熱用途において重要な役割を果たします。