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突破!新型石墨烯解决世界难题 |
2017年06月15日09:05 浙大高分子
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通过巧妙设计,浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜:它是目前导热率最高的宏观材料,同时具有超柔性,能被反复折叠6000次,承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题,有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

高超介绍,电子电器工作时会发热,需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此,研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性;同时,单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是,目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多,其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳,还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。比如,我们手机里的散热膜,就是用GPI制成的。

在高超教授的办公室,记者见到了一片20厘米边长的石墨烯组装膜,看上去很像一片大大的即食海苔。高超介绍,这10微米厚的“海苔”,是由数千层单片石墨烯交叠而成的。实验测试表明,石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲,而不影响其导热导电性能,而且,在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK(瓦/米·度),接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。

柔软而高导热的性能,赋予我们无限的想象空间,比如,可折叠的手机、笔记本电脑,甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜,应用于手机散热膜上,发现手机CPU处的温度可以控制在33℃以下,相对商用GPI膜降低了6℃。如果把这层膜用到人造卫星上,就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。

彭蠡说,电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题。它们“怕热”,是因为这些功率器件都有稳定工作的温度区间。随着温度的升高,器件工作的稳定性会下降,噪音升高,并且寿命降低。一般来说,温度提高8—10度,器件寿命会下降一半。据统计,电子产品失效的原因中,温度占比达到50%以上。

AdvancedScience News评论认为,这项成果使得很多大面积多功能的二维材料能够应用到现实世界的柔性器件中,从航空航天到智能手机,不一而足。

科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”,并兼顾了良好的导热性能呢?高超说,团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路,在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱,让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。就像女孩们的百褶裙,裙摆可以展开很大。

如此细小的褶皱怎么制造?高超团队想出了一种新颖的方法:将石墨烯膜高温加热,膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体,使石墨烯膜内部形成微气囊;再经过机械辊压成膜,微气囊的气体被排出,形成微褶皱。“就这么简单”,高超说。Advanced Science News认为,这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

浙江大学高分子系高超教授团队长期致力于单层氧化石墨烯的规模化制备及其宏观组装研究,发现了氧化石墨烯的液晶性,发明了石墨烯纤维、石墨烯无纺布、石墨烯连续组装薄膜及最轻材料石墨烯气凝胶四种纯石墨烯宏观材料(简称F4),开发了低成本高质量单层氧化石墨烯、多功能石墨烯复合纤维、石墨烯高效电热布、石墨烯超级电容器、石墨烯-铝离子电池、石墨烯纳滤膜等六大核心技术,这些成果产业化前景广阔,部分已实现生产和中试。

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