浙大高超团队高导热超柔性石墨烯膜获新突破

最近，浙江大学高分子系的一组高科技教授开发出一种高导热超柔性石墨烯组装膜，其导热系数高达2053W/mK，接近单层石墨烯理想导热系数的40%，创造了宏观材料导热系数的新纪录。同时，该材料由微折叠的大石墨烯片组装而成，具有超强的柔韧性，可重复折叠6000次，可承受10万次弯曲。

这一最新成果解决了宏观材料不能兼顾高热导率和高柔韧性的世界性难题。它有望在高效热管理、新一代柔性电子器件和航空航天领域找到重要应用。这篇文章发表在《高级材料》上。这篇文章的第一作者是博士生栗鹏。

电气和电子设备在工作时会产生热量，因此需要有效的热管理来确保其正常运行。新一代设备也需要可弯曲性。因此，研究高导热、高柔性材料非常重要。然而，现有宏观材料的高导热率和高柔韧性是一对矛盾，并且通常很难同时具有鱼和熊掌。例如，金属材料具有良好的延展性，但它们的最大热导率约为429瓦/千卡。一些无机陶瓷材料具有较高的热导率，但非常脆。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能性。这一重大科学问题最近由一组技术高超的教授解决了，他们创造性地提出了“大微褶皱”的概念:大石墨烯几乎没有缺陷，可以实现高热导率；微褶皱为材料的拉伸和弯曲提供了足够的应变空间，从而确保了高弹性。

高昊告诉《中国科学报》的记者，这个新想法很容易实现。可以完成三个步骤:1)刮涂大的氧化石墨烯水分散体形成薄膜；2)高温热处理，薄膜中的含氧官能团在高温下分解释放气体；同时，随着温度的升高，石墨烯缺陷结构逐渐修复，气体被阻挡在石墨烯薄膜中，膨胀形成微泡；(3)机械碾压成膜，微球气体在外加压力下排出形成微桥。

微褶皱通常是应力集中点。在外力作用下，褶皱会产生弹性变形，局部褶皱会被拉伸和扩张，形成永久变形。应力越大，褶皱拉伸越多，弹性变形和永久变形越明显。对比表明，与传统的GPI薄膜相比，具有大量微褶皱的石墨烯薄膜的断裂伸长率提高了2-3倍，最高可达16%。石墨烯微褶皱的延展性使其能够承受许多复杂的变形，如重复折叠、打结、扭曲、指节重复弯曲、折纸等。

石墨烯的热传导模式是声子热传导，以及边界、空隙、官能团等。是声子色散的缺陷。由于这个原因，研究人员已经使用没有碎片的超大氧化石墨烯作为原材料来减少边缘声子发射。同时，采用高温热处理去除石墨烯表面的官能团，修复石墨烯的内部孔隙，得到缺陷少的石墨烯结构。这些结构变化通过拉曼、XRD和透射电子显微镜得到证实。石墨烯薄膜的平均热导率为1900 W/mK，最高值为2053 W/mK·m-1，超过了最佳GPI薄膜和其他宏观材料的热导率。

这项工作由国家自然科学基金和国家重点研究发展计划资助。

文章链接:http://在线library.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700589/full