一种用于电子器件热管理的石墨烯薄膜

热设计 2024-06-28

来源：ACS Applied Nano Materials

原文：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00958

01 背景介绍

石墨烯薄膜由于其耐腐蚀、轻质、柔韧性和潜在的高导热性，在电子设备的热管理中得到了广泛的应用。目前，人们开发了许多制备独立石墨烯薄膜的途径，主要是采用高粘度氧化石墨烯(GO)作为前驱体由于氧化石墨烯具有许多含氧官能团，如羰基、环氧基和羟基，这些官能团在室温下会加剧声子散射，因此氧化石墨烯薄膜的导热性极低。碳化过程可以去除氧化石墨烯薄片基面和边缘的官能团，这是实现氧化石墨烯薄膜向石墨烯薄膜转变所必需的。在碳化过程中，含氧官能团随着气态物质的形成而被除去。每克氧化石墨烯产气量可达200 mL，质量损失约为40 wt %，产气精矿温度范围为150 ~ 300℃。此阶段产气速率远高于逸出速率，造成大量气体聚集；因此，在300℃时，两层氧化石墨烯之间的压力达到40 MPa。如此高的压力会使薄膜产生微气囊，甚至破裂。微气囊一旦形成，就很难完全消除。压缩后，微气囊被均匀分布在整个薄膜上的微褶皱所取代，微褶皱可以增强声子散射，从而降低导热系数。为了解决这个问题，已经提出了各种策略，与物理约束相比，化学还原可以精确地调节氧化石墨烯薄片上的氧含量。

02 成果掠影

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所，中国科学院炭材料重点实验室陈成猛、姜东、贾辉团队针对制备石墨烯薄膜炭化过程中大量气体的产生和积聚会产生很高的气体压力从而破坏有序的堆叠结构影响石墨烯薄膜的导热性的问题研究取得最新进展。在这项工作中，我们提出了一种二胺试剂交联和减少氧化石墨烯的策略，以限制炭化过程中的体积膨胀。胺基与含氧官能团(−COOH，−C−O−C)发生亲核取代和缩合反应，形成−C−N键，通过改变化学结构扩大产气温度范围。与二甲氨基丙胺和n -异丙基乙二胺相比，具有对称伯胺的乙二胺可以与氧化石墨烯充分反应，形成坚固的结构。基于这些观察结果，与纯石墨烯薄膜(分别为152.6%和980 W/mK)相比，乙二胺修饰的薄膜具有更低的膨胀率(115.2%)和更高的面内导热系数(~ 1180 W/mK)。这项工作对制备高导热石墨烯薄膜具有重要意义。研究成果以“Crosslinking Strategy for Constraining the Structural Expansion of Graphene Films during Carbonization: Implications for Thermal Management”为题发表在《ACS Applied Nano Materials》。