自2018年華為Mate 20X手機率先使用石墨烯膜散熱技術(shù)后，國內主流手機廠(chǎng)商紛紛在旗艦機型中使用石墨烯膜。據不完全統計，2020年二季度到2021年二季度，我國使用石墨烯導熱膜的手機銷(xiāo)量接近2900萬(wàn)部，石墨烯膜累計用量約130萬(wàn)平方米。
近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)中科院山西煤化所)副研究員孔慶強在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)給出上述數據。在他看來(lái)，“隨著(zhù)5G智能手機滲透率的快速增加，石墨烯導熱膜有望迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)”。
據安信證券等研究機構預測，到2022年，全球手機散熱市場(chǎng)規模將超過(guò)35億美元。為應對大功率電子器件的散熱需求，中科院山西煤化所組建了以“709課題組+705課題組”為主要成員的“大兵團”，成功研制出熱通量高、柔韌性好等綜合指標優(yōu)越的石墨烯導熱膜，建成十噸級氧化石墨烯漿料和千平方米級石墨烯膜中試平臺，并在多款衛星中定型使用，成為中國航天科技集團、中國電科集團等單位的合格供貨方。
新材料備受“熱寵”
隨著(zhù)5G時(shí)代的到來(lái)，智能終端對散熱組件擴熱能力提出更高要求，石墨烯導熱膜逐漸成為電子散熱材料的“熱寵”。
作為709課題組成員，孔慶強表示，在石墨烯導熱膜逐漸成為熱門(mén)散熱材料之前，主流電子散熱材料主要采用以聚酰亞胺薄膜為原料制備的人工石墨膜，雖然人工石墨膜面內熱導率較高(1000~1500 W/mK)，但受原料膜限制，其厚度也較小(25~60μm)，“更重要的是，這些原料主要依賴(lài)進(jìn)口”。
相比之下，石墨烯導熱膜兼具高熱導率(1000~1200W/mK)和高厚度(100~300μm)。此外，它的橫向擴熱能力是人工石墨膜的4倍以上。
但孔慶強指出，目前石墨烯導熱膜的制備仍有很多關(guān)鍵技術(shù)難題亟待突破，例如大片徑氧化石墨烯批量合成技術(shù)、超厚氧化石墨烯膜快速組裝技術(shù)和低成本熱處理技術(shù)等。
“像石墨烯膜的制備，通常需要在2800℃以上的高溫下進(jìn)行石墨化處理，但目前只能采用間歇式生產(chǎn)工藝，不僅能耗高，生產(chǎn)效率也很低。”孔慶強說(shuō)。
滿(mǎn)足關(guān)鍵領(lǐng)域需求
中科院山西煤化所副研究員、705課題組成員陶則超告訴《中國科學(xué)報》，目前市場(chǎng)上的石墨烯導熱膜主要應用于消費電子領(lǐng)域，用戶(hù)主要關(guān)注產(chǎn)品的熱導率和厚度指標，應用于航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的石墨烯導熱膜很少。
而此次中科院山西煤化所研發(fā)的石墨烯導熱膜，主要應用于航天等關(guān)鍵領(lǐng)域。這要求石墨烯導熱膜除了達到良好的熱導率和厚度等核心指標外，彎曲半徑、可凝揮發(fā)物、輻照性能等其他十幾項技術(shù)指標也要達標。“任何一個(gè)指標不達標，都會(huì )導致產(chǎn)品無(wú)法使用。”陶則超說(shuō)。
實(shí)際上，早在2014年，中科院山西煤化所就依托多年的石墨烯研發(fā)技術(shù)，開(kāi)展了石墨烯導熱膜的研究，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，并在2016年應用于關(guān)鍵領(lǐng)域大功率電子器件中。
陶則超告訴記者，此前團隊主要研發(fā)的是100μm厚的石墨烯膜，而當嘗試將其厚度做到200μm時(shí)，氧化石墨烯膜經(jīng)過(guò)炭化處理后會(huì )直接碎掉，無(wú)法再進(jìn)行后續處理。
為了突破氧化石墨烯膜的炭化工藝瓶頸，研發(fā)團隊首先優(yōu)化了炭化的工藝參數，將良品率提高到50%。隨后又改進(jìn)了氧化石墨烯的合成工藝，最終解決了這項難題，同時(shí)也為后續研發(fā)300μm厚的石墨烯膜打下堅實(shí)基礎。
陶則超表示，此次研發(fā)的石墨烯導熱膜具有優(yōu)異的綜合水平，可以達到“宇航級標準”，不僅在超厚膜成型、專(zhuān)用漿料、致密化、熱處理等關(guān)鍵過(guò)程擁有自有技術(shù)，還申請了10項發(fā)明專(zhuān)利，其中4項專(zhuān)利已經(jīng)獲得授權。
“大兵團”作戰
在中科院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗室副主任、中科院山西煤化所709課題組組長(cháng)陳成猛看來(lái)，石墨烯導熱膜之所以取得重要突破，與打破課題藩籬，開(kāi)展“大兵團”式作戰密不可分。
“針對復雜的系統工程，整合研究所內相關(guān)方向優(yōu)勢力量，打造聯(lián)合攻堅團隊，能充分發(fā)揮中科院體系化、建制化的優(yōu)勢。”陳成猛說(shuō)。
早在2007年，中科院山西煤化所就開(kāi)始了石墨烯的研究。2012年，該所709課題組成立，隨后完成了氧化還原石墨烯的噸級中試，中試產(chǎn)品銷(xiāo)往國內外300余個(gè)用戶(hù)單位，在石墨烯材料制備方面積累了豐富的經(jīng)驗。
而中科院山西煤化所705課題組長(cháng)期從事炭基熱管理產(chǎn)品的研發(fā)，先后開(kāi)發(fā)了石墨擴熱板、柔性均熱膜、泡沫石墨、導熱索等代表性熱管理材料和熱控產(chǎn)品，在多個(gè)星載電子產(chǎn)品熱控分系統中獲得連續應用。
“兩個(gè)團隊打破課題組的藩籬，分可獨立作戰，合可協(xié)力攻堅，實(shí)現了團隊、技術(shù)和平臺的優(yōu)勢互補、快速打通‘料—材—器—用’創(chuàng )新鏈，為掌握石墨烯導熱膜成套核心技術(shù)創(chuàng )造了十分有利的條件。”陳成猛說(shuō)。
實(shí)際上，中科院山西煤化所開(kāi)展這種“大兵團”式研發(fā)并非第一次，此前曾應用于炭纖維和煤制油等重大技術(shù)攻關(guān)，但在石墨烯導熱膜項目上還是首次。
陶則超表示，目前團隊建立的中試平臺具備年產(chǎn)十噸氧化石墨烯的生產(chǎn)能力，最終可以生產(chǎn)1000平米石墨烯膜，可供2.2萬(wàn)部手機使用，大約能滿(mǎn)足100顆衛星的需要。
“在我國，從氧化石墨烯制備一直做到終端石墨烯膜的中試平臺還是比較少見(jiàn)的。”陳成猛告訴記者，目前團隊正與國內多個(gè)投資方進(jìn)行對接，推動(dòng)石墨烯膜技術(shù)從中試走向產(chǎn)業(yè)化。
“目前的中試平臺產(chǎn)能有限，已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的訂單需求。”陳成猛說(shuō)，下一步，團隊將根據市場(chǎng)需求，擬建設年產(chǎn)20萬(wàn)平方米高通量石墨烯膜生產(chǎn)線(xiàn)，預期可實(shí)現年產(chǎn)值2.7億元。
具體而言，一期計劃建立一個(gè)萬(wàn)平方米級工業(yè)示范線(xiàn)，主要瞄準滿(mǎn)足國家重大需求的高附加值領(lǐng)域，并逐漸擴大產(chǎn)能，向消費電子領(lǐng)域的旗艦機型拓展。
陳成猛表示，除了石墨烯導熱膜，團隊還將根據用戶(hù)需求，研發(fā)更高厚度的石墨烯擴熱板和導熱/儲熱雙功能膜。
在他看來(lái)，目前我國的石墨烯研發(fā)生態(tài)和市場(chǎng)環(huán)境已有明顯好轉，也更趨于理性和務(wù)實(shí)。“在一些細分領(lǐng)域，石墨烯已展現出了重大的技術(shù)和商業(yè)價(jià)值。我們要客觀(guān)公正，用耐心、細心和恒心去看待石墨烯這一新技術(shù)，做符合科學(xué)規律和歷史規律的事。”
