自2018年華為Mate 20X手機(jī)率先使用石墨烯膜散熱技術(shù)后，國內(nèi)主流手機(jī)廠商紛紛在旗艦機(jī)型中使用石墨烯膜。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年二季度到2021年二季度，我國使用石墨烯導(dǎo)熱膜的手機(jī)銷量接近2900萬部，石墨烯膜累計(jì)用量約130萬平方米。
近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所(簡稱中科院山西煤化所)副研究員孔慶強(qiáng)在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)給出上述數(shù)據(jù)。在他看來，“隨著5G智能手機(jī)滲透率的快速增加，石墨烯導(dǎo)熱膜有望迎來爆發(fā)式增長”。
據(jù)安信證券等研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2022年，全球手機(jī)散熱市場規(guī)模將超過35億美元。為應(yīng)對(duì)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(tuán)”，成功研制出熱通量高、柔韌性好等綜合指標(biāo)優(yōu)越的石墨烯導(dǎo)熱膜，建成十噸級(jí)氧化石墨烯漿料和千平方米級(jí)石墨烯膜中試平臺(tái)，并在多款衛(wèi)星中定型使用，成為中國航天科技集團(tuán)、中國電科集團(tuán)等單位的合格供貨方。
新材料備受“熱寵”
隨著5G時(shí)代的到來，智能終端對(duì)散熱組件擴(kuò)熱能力提出更高要求，石墨烯導(dǎo)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(qiáng)表示，在石墨烯導(dǎo)熱膜逐漸成為熱門散熱材料之前，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(nèi)熱導(dǎo)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，這些原料主要依賴進(jìn)口”。
相比之下，石墨烯導(dǎo)熱膜兼具高熱導(dǎo)率(1000~1200W/mK)和高厚度(100~300μm)。此外，它的橫向擴(kuò)熱能力是人工石墨膜的4倍以上。
但孔慶強(qiáng)指出，目前石墨烯導(dǎo)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(qiáng)說。
滿足關(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(bào)》，目前市場上的石墨烯導(dǎo)熱膜主要應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，用戶主要關(guān)注產(chǎn)品的熱導(dǎo)率和厚度指標(biāo)，應(yīng)用于航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的石墨烯導(dǎo)熱膜很少。
而此次中科院山西煤化所研發(fā)的石墨烯導(dǎo)熱膜，主要應(yīng)用于航天等關(guān)鍵領(lǐng)域。這要求石墨烯導(dǎo)熱膜除了達(dá)到良好的熱導(dǎo)率和厚度等核心指標(biāo)外，彎曲半徑、可凝揮發(fā)物、輻照性能等其他十幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也要達(dá)標(biāo)。“任何一個(gè)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無法使用。”陶則超說。
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)，開展了石墨烯導(dǎo)熱膜的研究，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并在2016年應(yīng)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(tuán)隊(duì)主要研發(fā)的是100μm厚的石墨烯膜，而當(dāng)嘗試將其厚度做到200μm時(shí)，氧化石墨烯膜經(jīng)過炭化處理后會(huì)直接碎掉，無法再進(jìn)行后續(xù)處理。
為了突破氧化石墨烯膜的炭化工藝瓶頸，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先優(yōu)化了炭化的工藝參數(shù)，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(xiàng)難題，同時(shí)也為后續(xù)研發(fā)300μm厚的石墨烯膜打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
陶則超表示，此次研發(fā)的石墨烯導(dǎo)熱膜具有優(yōu)異的綜合水平，可以達(dá)到“宇航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，不僅在超厚膜成型、專用漿料、致密化、熱處理等關(guān)鍵過程擁有自有技術(shù)，還申請(qǐng)了10項(xiàng)發(fā)明專利，其中4項(xiàng)專利已經(jīng)獲得授權(quán)。
“大兵團(tuán)”作戰(zhàn)
在中科院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中科院山西煤化所709課題組組長陳成猛看來，石墨烯導(dǎo)熱膜之所以取得重要突破，與打破課題藩籬，開展“大兵團(tuán)”式作戰(zhàn)密不可分。
“針對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，整合研究所內(nèi)相關(guān)方向優(yōu)勢力量，打造聯(lián)合攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，能充分發(fā)揮中科院體系化、建制化的優(yōu)勢。”陳成猛說。
早在2007年，中科院山西煤化所就開始了石墨烯的研究。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(jí)中試，中試產(chǎn)品銷往國內(nèi)外300余個(gè)用戶單位，在石墨烯材料制備方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
而中科院山西煤化所705課題組長期從事炭基熱管理產(chǎn)品的研發(fā)，先后開發(fā)了石墨擴(kuò)熱板、柔性均熱膜、泡沫石墨、導(dǎo)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(tǒng)中獲得連續(xù)應(yīng)用。
“兩個(gè)團(tuán)隊(duì)打破課題組的藩籬，分可獨(dú)立作戰(zhàn)，合可協(xié)力攻堅(jiān)，實(shí)現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)、技術(shù)和平臺(tái)的優(yōu)勢互補(bǔ)、快速打通‘料—材—器—用’創(chuàng)新鏈，為掌握石墨烯導(dǎo)熱膜成套核心技術(shù)創(chuàng)造了十分有利的條件。”陳成猛說。
實(shí)際上，中科院山西煤化所開展這種“大兵團(tuán)”式研發(fā)并非第一次，此前曾應(yīng)用于炭纖維和煤制油等重大技術(shù)攻關(guān)，但在石墨烯導(dǎo)熱膜項(xiàng)目上還是首次。
陶則超表示，目前團(tuán)隊(duì)建立的中試平臺(tái)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2.2萬部手機(jī)使用，大約能滿足100顆衛(wèi)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(tái)還是比較少見的。”陳成猛告訴記者，目前團(tuán)隊(duì)正與國內(nèi)多個(gè)投資方進(jìn)行對(duì)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(tái)產(chǎn)能有限，已無法滿足用戶的訂單需求。”陳成猛說，下一步，團(tuán)隊(duì)將根據(jù)市場需求，擬建設(shè)年產(chǎn)20萬平方米高通量石墨烯膜生產(chǎn)線，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值2.7億元。
具體而言，一期計(jì)劃建立一個(gè)萬平方米級(jí)工業(yè)示范線，主要瞄準(zhǔn)滿足國家重大需求的高附加值領(lǐng)域，并逐漸擴(kuò)大產(chǎn)能，向消費(fèi)電子領(lǐng)域的旗艦機(jī)型拓展。
陳成猛表示，除了石墨烯導(dǎo)熱膜，團(tuán)隊(duì)還將根據(jù)用戶需求，研發(fā)更高厚度的石墨烯擴(kuò)熱板和導(dǎo)熱/儲(chǔ)熱雙功能膜。
在他看來，目前我國的石墨烯研發(fā)生態(tài)和市場環(huán)境已有明顯好轉(zhuǎn)，也更趨于理性和務(wù)實(shí)。“在一些細(xì)分領(lǐng)域，石墨烯已展現(xiàn)出了重大的技術(shù)和商業(yè)價(jià)值。我們要客觀公正，用耐心、細(xì)心和恒心去看待石墨烯這一新技術(shù)，做符合科學(xué)規(guī)律和歷史規(guī)律的事。”
