近日，浙江大學(xué)高分子系高超教授團隊研發(fā)出一種高導熱超柔性石墨烯組裝膜，導熱率最高達到2053W/mK，接近理想單層石墨烯導熱率的40%，創(chuàng )造宏觀(guān)材料導熱率的新紀錄；同時(shí)該材料由微褶皺化大片石墨烯組裝而成，具有超柔性，可被反復折疊6000次，承受彎曲十萬(wàn)次。
這一最新成果解決了宏觀(guān)材料高導熱和高柔性不能兼顧的世界性難題，有望在高效熱管理、新一代柔性電子器件及航空航天等領(lǐng)域獲得重要應用。
電子電器工作時(shí)會(huì )發(fā)熱，需要高效熱管理來(lái)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(guān)重要。但現有宏觀(guān)材料的高導熱和高柔性是一對矛盾，魚(yú)和熊掌往往難以兼得。如，金屬材料具有好的延展性，但其導熱率最高值約為429W/mK。一些無(wú)機陶瓷材料的導熱率更高，卻很脆。
石墨烯的出現為解決這一矛盾提供了理論上的可能。這一重大科學(xué)難題近日被高超教授團隊攻克，他們創(chuàng )造性地提出了“大片微褶皺”思路：大片石墨烯缺陷少，可實(shí)現高導熱率；微褶皺使材料在拉伸彎折時(shí)有足夠的應變空間，可確保高柔性。
高超表示，這一新思路實(shí)現起來(lái)倒很簡(jiǎn)便。三步即可完成：
1) 大片氧化石墨烯水分散液通過(guò)刮涂成膜；
2) 高溫熱處理，膜中的含氧官能團在高溫下分解，釋放出氣體，同時(shí)隨著(zhù)溫度的升高，石墨烯缺陷結構逐步修復，氣體被阻隔在石墨烯膜內部，因膨脹形成微氣囊；
3) 機械輥壓成膜，在外加壓力下微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺。
微褶皺往往是應力集中點(diǎn)，在外力作用下褶皺會(huì )產(chǎn)生彈性變形，局部褶皺會(huì )被拉伸展開(kāi)形成永久形變。應力越大，被拉伸的褶皺越多，彈性形變和永久形變也就越明顯。對比表明，具有大量微褶皺的石墨烯膜相對于傳統GPI膜，其斷裂伸長(cháng)率提高了2-3倍，最高值可達到16%。石墨烯微褶皺的可延展性，使得它可以耐受反復折疊、打結、扭曲、指關(guān)節反復彎曲、折紙等多種復雜形變。
石墨烯的導熱模式為聲子導熱，邊界、空洞、官能團等都是聲子逸散的缺陷。為此研究者使用了無(wú)碎片的超大片氧化石墨烯作為原料,以降低邊緣聲子逸散。同時(shí)，采用高溫熱處理，去除石墨烯表面的官能團并修復石墨烯內部孔洞，得到少缺陷的石墨烯結構。這些結構變化通過(guò)拉曼、XRD及透射電鏡檢測進(jìn)行了確證。所得石墨烯膜的熱導率平均值為1900 W/mK，最高值達到2053 W/mK m−1,超過(guò)了最好的GPI膜和其它宏觀(guān)材料的導熱率。
資料來(lái)源：科學(xué)網(wǎng)
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