中國粉體網訊 散熱，始終是令手機廠商頭疼的一大難題。
2018年，華為公司發(fā)布了Mate20系列手機，并在Mate20X上使用了一項“黑科技”——石墨烯導熱膜，華為Mate20X在多款游戲中均可達到接近滿幀的表現(xiàn)，游戲體驗極佳。據官方實測顯示，1h游戲后，華為Mate20X的正反面溫度分別只有37.4℃、38.1℃，明顯低于三星Note 9和iPhone XS Max。這是全球第1次在手機上使用了石墨烯導熱膜，之后，小米、榮耀、OPPO等手機品牌聞風而動，相繼在自家高端機上采用了該“黑科技”。
除華為外，多款手機采用石墨烯導熱膜
01.手機越來越怕熱？
隨著5G時代的到來，信息技術、人工智能、物聯(lián)網等領域快速發(fā)展，單一電子設備上集成的功能逐漸增加并且復雜化，電子產品體積縮小帶來功率密度迅速提升，對散熱材料的散熱性能及穩(wěn)定性提出了更高要求。
在手機領域，5G手機朝著高性能、高集成度、高顯示像素、輕薄化等方向不斷演變，芯片處理器、屏幕、射頻前端、攝像頭、電池及充電等模塊實現(xiàn)全面升級，散熱系統(tǒng)決不能馬虎。
手機的散熱需求不斷提高
此外，折疊創(chuàng)新已經成為智能手機發(fā)展新趨勢，備受矚目的折疊屏手機有望逐步成為高端智能手機市場的標志并逐漸普及。石墨烯導熱膜因出色的柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機領域中極具應用前景，已成為折疊屏手機的理想散熱材料。在堆疊空間有限的情況下，通過耐彎折石墨烯膜將轉軸兩側的散熱系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)級芯片（SOC）一側的熱量可經此通道傳導至散熱壓力更小的另一側，由此實現(xiàn)更加均衡且更強的散熱能力。
以往，手機中廣泛應用的散熱材料有石墨片、導熱界面材料等，受制于其導熱系數的極限，目前已經很難滿足當今手機更高的散熱需求。
02.石墨烯導熱膜，厲害角色
2004年，Andrew Geim和Konstantin Novoselov等采用機械剝離法從鱗片石墨中剝離出單層石墨烯，宣告了“新材料之王”的問世，并揭示了石墨烯優(yōu)異的電學性能、出色的力學性能、極高的導熱性等新奇物理性質。
石墨烯的應用性能
石墨烯是由單層碳原子經電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，石墨烯的熱傳導主要由聲子貢獻，石墨烯在平面方向由強化學鍵C-C鍵構成，并且由于碳原子較輕，具有極高的聲速，從而在平面方向具有極高的熱導率，單層石墨烯理論導熱率高達5300W/(m·K)。Andrew Geim說過：“石墨烯導電導熱率高，化學結構又十分穩(wěn)定，是一種很理想用于導熱散熱的新型材料”。
石墨烯導熱膜應用效果
石墨烯導熱膜工作原理是以石墨烯熱傳導能力強的特性為基礎，將電子器件內部熱源點的熱量迅速導向整個膜面然后散出�；谑⿲崮ぴ谄矫娣较蛏系母邿釋侍攸c，可用作電子元件中的散熱器，貼合在易發(fā)熱的電子元件表面，實現(xiàn)將熱源產生的熱量均勻分散，達到增加散熱面積，提高散熱效率的效果。
手機導散熱示意圖
具體應用到手機上，其散熱過程一般為：熱界面材料用于填充芯片和VC之間的空隙，便于降低接觸熱阻，芯片的熱量經熱界面材料傳輸到均熱板蒸發(fā)段，均熱板通過相變以高通量將點熱源上的熱量擴散到面上或者傳輸到設備的冷區(qū)，并進一步將熱量傳輸到面積較大的石墨散熱膜上，并利用石墨散熱膜快速均溫的特點將熱量最終傳遞至手機外部。
在石墨烯導熱膜火起來之前，人造石墨膜是主流的散熱薄膜，該材料是聚酰亞胺（PI）薄膜經過碳化和高溫石墨化后形成的人造石墨膜。其制備工藝復雜、成本昂貴，且高質量PI薄膜和人工石墨膜生產技術仍然為美國、日本等國控制，相比之下，石墨烯散熱薄膜優(yōu)勢明顯。
03.制備工藝有講究
一種制備石墨烯導熱膜的方法為化學氣相沉積法(CVD)，通過此方法制備的石墨烯散熱膜的熱導率可達2000W/(m·K)以上，但是由于在其制備過程中需要在高溫高壓條件下，制備環(huán)境苛刻，導致化學氣相沉積法制備的石墨散熱膜的生產成本相對較高，制約了該方法生產的石墨烯膜的實際應用。
另一種方法是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成，這是石墨烯導熱膜的主流制備方法。根據富烯科技招股說明書，這種方法主要包括解離分散、涂覆、熱處理、壓延、沖貼、模切等工序。
石墨烯導熱膜生產工藝流程圖
主要工序具體內容
注意，由于沒經過表面處理的石墨烯具有很高的化學穩(wěn)定性，不能夠自組裝形成宏觀結構，從而無法實現(xiàn)實際應用。而氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，分散后的氧化石墨烯在水中自組裝成膜后，再對其進行高溫熱還原反應后，可以得到宏觀形態(tài)下的石墨烯膜。
因而，氧化石墨烯的高定向自組裝是實現(xiàn)石墨烯膜高導熱性能的核心，而單層率超過90%的氧化石墨烯微片是實現(xiàn)高定向自組裝的關鍵。一方面，氧化程度更高的氧化石墨烯前驅體，更容易被解離為高單層率的氧化石墨烯微片，從而能夠帶來取得良好的分散效果以及更好的高定向組裝效果，但是會帶來更高的氧化成本。另一方面，高單層率的氧化石墨烯漿料由于氫鍵的作用容易發(fā)生團聚，需要降低固含量才能實現(xiàn)均勻分散，以滿足涂覆工序和實現(xiàn)高定向組裝的要求，然而低固含漿料不易涂覆成理想厚度的GO膜，將嚴重降低涂覆效率，并且加大了干燥難度，從而導致制造成本大幅增加。雖然可以通過添加分散劑或表面處理劑來提升漿料固含，但會引起漿料粘度的顯著提升，使其流動性差，導致無法輸送、難以涂覆。
因此，氧化石墨烯漿料所要求的良好分散性與石墨烯原材料的高氧化成本，石墨烯薄膜的高定向組裝性與涂覆、干燥過程中的高工藝成本，成為影響高性能石墨烯薄膜規(guī)�；苽浣洕缘膬蓚�主要矛盾及其產業(yè)化過程的重大技術障礙。
此外，在石墨烯高定向組裝的基礎之上，盡最大可能修復石墨烯中微觀結構的缺陷，使之在單層面內恢復理想石墨烯結構，也是提高石墨烯導熱膜導熱性能的關鍵。
參考來源：
[1]富烯科技招股說明書
[2]羅文謙.石墨烯在導熱散熱領域的應用
[3]中國粉體網
（中國粉體網/山川）
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