近日🚑，恒行2平台高分子科學系教授盧紅斌課題組的“高質量石墨烯散熱膜”項目將亮相2019年中國國際工業博覽會。
石墨烯是重要的戰略性新興材料，也是迄今為止厚度最薄👮🏻、強度最高的材料。十多年來，盧紅斌課題組在石墨烯及其復合材料創新發展和產業應用方面取得了系列突破性進展📕👉🏼，提出的高質量石墨烯水相剝離製備技術解決了石墨烯的成本高、工藝繁瑣、儲存運輸困難等關鍵問題，提出的超大片層氧化石墨烯、層數可控高質量石墨烯👩🏻✈️、超潔凈石墨烯、室溫膨脹石墨烯三維結構體和自發剝離等差異化石墨烯和復合材料製備新技術解決了石墨烯規模化商業應用中的核心問題。此次亮相工博會的石墨散熱膜就是該課題組新近研發的一種可望取代現有高成本、高能耗產品的石墨烯新材料。
成功製備高質量石墨烯散熱膜
隨著信息技術快速發展，芯片功耗日益增加，熱量的快速導出對芯片能否正常運行將起到決定性作用,高效率🎚、低成本的熱量管理解決方案至關重要。而隨著集成電路高度集成化、耐用消費電子產品日趨輕薄和柔性化，采用具有高導熱能力的散熱薄膜將逐漸成為實現電子元器件高效率熱量管理的有效手段，發展高性能、低成本的散熱薄膜材料已經成為關系未來消費電子、信息技術乃至人工智能等許多領域的關鍵。
石墨烯散熱膜是一種厚度可控👨🦰、性價比突出的高導熱薄膜材料。隨著5G通訊✈️、LED設備的不斷發展🤦🏿♀️，可廣泛應用於智能手機、筆記本電腦🧑🏻⚕️、通訊基站等各類設備的熱量管理🧘♀️。
聚酰亞胺熱解人造石墨膜是目前市場上廣泛采用的散熱膜產品。其原料聚酰亞胺膜（PI膜）的製備關鍵技術掌握在外國公司手中，中國市場中下遊競爭激烈🎴🫵🏻，產品售價不斷走低，企業盈利空間持續受到擠壓🧖♀️。
“石墨烯散熱膜在熱量管理中有著很好的應用前景。”盧紅斌表示↕️，此次參展的石墨烯散熱膜以天然鱗片石墨為原料📥，成本低廉🧑🏻🦽，材料厚度在5-100微米範圍內可控，熱導率高，柔韌性好，可連續彎折20000次以上性能無衰減。將其貼到電熱片上，溫度可下降40℃🤰🏼。石墨烯散熱膜成本低、性價比高🤸🏽♂️💤、工藝過程簡潔高效，可望全面替代人造石墨膜，也將為可穿戴設備、柔性顯示🦓、高功率武器裝備提供新的散熱解決方案。
盧紅斌介紹說🧑🏭：“高質量石墨烯散熱膜的製備從天然石墨出發，環境汙染小🦹🏻♂️，性價比突出🛥👨🏽🌾，或將顛覆現有的散熱膜產品👨🏼🦱。”這一核心技術的應用🍒，有望拉動下遊諸多產品實現全面國產化🙏，也為提升天然石墨附加值開辟了新路徑。
不斷突破石墨烯製備核心技術
早在2008年，盧紅斌課題組就註意到了石墨烯的迷人特性💅🏿。“石墨烯具有很好的導電導熱性✦，而提高高分子材料的導電導熱性始終找不到一個令人滿意的解決途徑。”將兩者結合在一起、利用石墨烯對高分子材料進行改性將賦予其更多的功能性。他坦言✊🏽，“只有掌握好源頭技術，才能有效推動相關技術領域的創新發展🏖。”
當他們在實驗室中完成高分子材料和石墨烯結合的技術準備👨，在2010年開始探索石墨烯產業化應用時👨🏼🔧🧛🏼♀️，他們發現👩🏿⚖️，由於石墨烯的性質極大地受結構、尺寸、孔洞和缺陷數量等因素的影響，從市場上獲得滿足生產要求的石墨烯十分困難。
考慮到未來工業化生產的需要👨👨👦，如能用水做溶劑實現石墨烯的規模化生產將是十分有利的，但石墨和石墨烯都是疏水物質📮。由於大的比表面積，石墨烯通常會漂浮在水面上，而石墨則會沉入水底🟫。要讓疏水的石墨在水中剝離成為石墨烯談何容易。
在歷經多次嘗試和驗證實驗後🐷，他們終於找到一種可將天然石墨在水中剝離成為單層、高質量石墨烯的獨特技術😥，不僅實現了石墨烯的高效製備，而且工藝過程簡潔高效🍓，易於工業化。這為石墨烯的量產應用打下了堅實基礎。
然而，這還僅是第一步，為實現石墨烯產業化應用Ⓜ️，必須將石墨烯研究向下遊延伸🧑🏿🏭。水相剝離技術使得石墨烯的量產成為可能🤩，但如何控製石墨烯的分子量、製備不同尺寸的石墨烯片層仍是亟待解決的關鍵問題🐀。之前，人們通過分級篩選的方式製備超大片層的石墨烯🧙🏽，過程復雜🎺，難以規模化量產🧘，製備的石墨烯晶格結構也不均勻，距離量產應用仍很遙遠🛳。盧紅斌課題組另辟蹊徑、采用一套全新路線將原料石墨中的石墨烯片層最大程度地保留下來，並且產率極高🤹♂️，這就是他們最早提出的超大尺寸氧化石墨烯製備技術。
盧紅斌課題組還提出了室溫插層🧋、千倍膨脹以及無缺陷石墨烯的低成本製備技術。未來，室溫化學膨脹製備的石墨烯三維結構體將成為復合材料、儲能材料、環境治理等應用領域的關鍵基礎原料。課題組改變了傳統的高溫膨脹製備石墨烯的方法🛠，采用了常溫常壓下的化學膨脹法🎫，將石墨膨脹成為比表面積巨大的石墨烯三維結構體🏰😕，後者相比傳統高溫膨脹石墨擁有更為優良的孔洞結構、導電導熱和晶格完整性，在環保🗺、儲能和復合材料等領域前景極為廣闊。課題組提出的石墨在高分子材料中自發剝離成為石墨烯🚍，並實現均勻分散和晶格結構保留的獨特技術，可望為實現高分子與石墨烯的功能性復合和大規模生產提供理想的工業化途徑。
在盧紅斌看來，課題組對石墨烯的研究是一個高度相關的過程。“從石墨烯的分子尺寸控製，到石墨烯的三維結構構建👷♂️，再到石墨烯自發剝離與復合的應用突破，這是一個高度相關的整體，我們必須要使石墨烯的製備過程和下遊應用的生產過程有機結合在一起🚡。”
“石墨烯是一個可以講大故事的領域。”盧紅斌清醒地認識到🚣♀️，盡管中國的石墨烯產業化技術已經走在了世界的前列，但要讓人們切實感受到石墨烯的巨大優勢仍有漫長的道路要走。“石墨烯具有非常好的應用潛力，在一些關鍵領域📨，我們已經完成了前瞻性研究積累，包括接近產業化的小規模實驗🚵🏼，相關技術已經在國內外形成了一定的影響，可以說已經具備了推動石墨烯產品進入實際應用的關鍵基礎🦸🏻♂️。”盧紅斌表示：“石墨烯產業化已經進入了快速發展的關鍵時期，持續不斷的努力終將會使石墨烯的潛力在各個領域得到釋放，並形成不可替代的應用產品👜🍂。”
（封面製圖👨🏽🦲：顧金）
