随着石墨烯导热膜兼具高导热性和超柔性材料的问世，在触控屏、太阳能电池、发光板、光电器件、微电子领域的应用范围十分广泛，石墨烯导热膜逐渐成为电子器件和系统重要的热管理材料。近日，上海微系统所在石墨烯导热膜尺寸效应方面的研究取得进展。
一、电子设备散热需求的崛起
随着 5G 通信技术的广泛应用，电子设备的性能不断提升，但散热问题日益凸显。自 20 世纪 60 年代以来，集成芯片行业遵循摩尔定律追求卓越性能，这对热管理提出了巨大挑战，尤其是在便携式电子系统中。传统的散热材料，如氧化铝或铜，已难以应对局部热点冷却的高要求，而且在便携性和灵活性方面存在明显不足。
二、石墨烯的发现与特性
2004 年，英国曼彻斯特大学的物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆教授成功从石墨薄片中剥离出石墨烯，这一重大发现为材料科学领域带来了新的曙光。石墨烯被誉为“黑金”和“新材料之王”，其具有极其出色的光学、电学、热学和力学特性。
石墨烯是世界上最薄、强度最大、导电导热性能最强、延展性最好的新型纳米材料。其优异的性能使其在材料学、微纳加工、储能、传感器、电子信息、智能穿戴、生物医学和药物传递等众多领域展现出广阔的应用前景，被视为引领未来的革命性材料。
三、石墨烯导热膜的优势与作用
石墨烯因其卓越的导热性和导电性，成为极具潜力的散热和电磁屏蔽材料，备受关注。在电子产品中，如手机、平板电脑和路由器，随着运行速度的加快，芯片产生的热量急剧增加。若不能及时散热，芯片性能将受影响，甚至可能损坏。而石墨烯的超高导热性能远超传统材料，其热导率约是铜的近 3 倍，能有效地帮助芯片散热，确保其发挥最佳性能。
四、石墨烯导热膜尺寸效应研究的进展
中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室丁古巧团队在石墨烯导热膜尺寸效应研究方面取得了重要突破。
研究发现，石墨烯膜的热导率与组装石墨烯膜原料的横向尺寸密切相关。通常，大尺寸原料有利于提升导热性能，因为片层横向尺寸越大，膜中片层间的界面越少，越利于热传输。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制备面临诸多难题，如技术挑战、制备过程繁琐、低产率和高成本等。同时，在组装过程中，大尺寸氧化石墨烯对高温过程产生气体的逸出抑制作用更显著，导致导热膜出现更多结构缺陷。
为了消除原料片层厚度等参数的影响，研究团队从同一氧化石墨原料出发，采用机械剪切方式制备了 11 组平均横向尺寸覆盖亚微米至微米尺度的氧化石墨烯。通过完全一致的工艺组装制备石墨烯导热膜，并分为大尺寸、常规尺寸和超小尺寸三类。
在亚微米尺寸范围内，石墨烯导热膜的横向热导率与氧化石墨烯原料横向尺寸呈现负相关关系，即负尺寸效应，这与微米范围内的规律相反。进一步的结构分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高温石墨化过程更利于气体排出，减少缺陷产生，且小晶粒易于融合和长大。这意味着选择亚微米超小尺寸氧化石墨烯是制备高性能石墨烯导热膜的关键策略，而且其规模化制备难度和成本更低。
基于上述成果，团队以超小尺寸氧化石墨烯为原料，实现了出色的横向热导率，超过了此前文献报道的水平，与使用大尺寸氧化石墨烯制备的导热膜相近，且纵向热导率更高。在实际应用中，装载石墨烯导热膜后，芯片表面温度显著降低，最大降温幅度达 21.2℃，温度分布更加均匀，能很好地满足电子器件的热管理需求。
这项研究为制备高性能石墨烯导热膜提供了全新的思路，也为提升其纵向导热性能指明了方向。随着研究的不断深入和技术的持续进步，相信石墨烯导热膜将在电子设备散热领域发挥更加重要的作用，推动电子行业的进一步发展。同时，国家自然科学基金等的支持为相关研究提供了有力保障，期待未来能有更多创新成果涌现，为解决散热等关键问题提供更优方案。
五、石墨烯导热膜在电子设备中的应用前景
随着 5G 时代及电子技术发展，电子产品向轻薄化、高集成、高分辨率演进，散热需求剧增。石墨烯导热膜作为新型高导热材料，能满足此需求，已在 3C 数码产品中广泛应用。如华为率先用于 Mate 20 X 手机，随后众多厂商跟进。中国信通院数据显示，2021 年 5G 手机出货量大幅增长，其带动石墨烯导热膜市场渗透率提升。
因其柔韧性、耐弯折等特性，在折叠屏手机领域应用潜力巨大，未来技术成熟后需求量有望增长。
据预测，2025 年全球 5G 手机石墨烯导热膜市场规模有望达 26.4 亿元，4G 手机市场规模有望达 3.6 亿元，智能手机领域合计有望达 30 亿元。
此外，在平板电脑、汽车电子、航空航天等领域也前景良好。在航空航天领域，卫星、雷达等因减重采用桁架结构，对导热能力要求极高，石墨烯导热膜的高导热率和良好力学性能等综合优势可满足特殊要求。
从发展趋势看，随着成本降低、产能释放及技术进步，石墨烯导热膜有望成为主流散热技术，推动电子行业发展。相关企业和研究机构正加大研发投入，提升其在各领域的渗透率，拓展应用场景。
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来源：贤集网
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