在智能手機向超薄化、智能化和多功能化的發展趨勢下，為了應對處理器算力快速提升，整機功耗急劇增加，但產品內部散熱空間卻越來越狹小的困境，近幾年，智能手機的散熱技術不斷更迭優化，出現多樣化的散熱方案。其中石墨烯散熱膜自2018年首次被華為應用于Mate 20 X手機之后，國內智能手機的散熱膜應用逐漸從石墨膜漸趨向于石墨烯膜，特別是在旗艦機、游戲機上，石墨烯膜市場逐漸白熱化，并逐步成為主流散熱技術之一。

圖源：網絡

為什么應用逐漸從石墨膜漸趨向于石墨烯膜？

在石墨烯散熱膜逐漸成為熱門散熱材料之前，主流電子散熱材料主要是石墨散熱膜，這兩者同為碳系導熱材料，但在制備工藝和性能上還是有所差異，而手機廠商紛紛布局石墨烯膜，也是因為它在這兩個方面有著明顯優勢。

石墨烯在散熱膜領域中的市場規模（來源：中信證券）

1、原材料資源自主可控，成本低

高導熱石墨膜早在2011 年就開始大規模應用于智能手機，之后一直是智能手機散熱的標配。為了利用石墨結構的超高平面熱導率，高導熱石墨膜主要采用PI類薄膜碳化-石墨化法的技術路線制備，即將聚酰亞胺(PI)在惰性氣氛下加壓碳化、經2800-3200℃的石墨化處理，再延壓至一定薄度制得。因為該技術路線中需要以高質量的聚酰亞胺薄膜為原材料，而其研發生產具有較高的技術壁壘，目前主要由美國杜邦、日本宇部興產、日本鐘淵化學和韓國SKPI等廠商壟斷，占據全球80%以上的市場份額，價格普遍偏高（約為65萬元/噸），所以業界一直希望能夠找到其它替代方案解決原材料受技術封鎖的問題。

石墨膜產業鏈（來源：雪域資本）

高導熱石墨烯膜的規?；苽鋭t一般使用氧化石墨烯作為前驅體，通過超聲分散形成均勻分布的GO水溶液后，經真空抽濾、濕法紡絲、蒸發、刮涂等方法制備出氧化石墨烯薄膜，再利用還原劑將其還原制得。由于其原材料氧化石墨烯為石墨粉末經化學氧化及剝離后的產物，相較聚酰亞胺(PI)薄膜，制備較為容易，成本較低（約為18-20萬元/噸），因此石墨烯散熱膜是我國擺脫對人工石墨散熱膜原材料聚酰亞胺膜進口依賴，也是消除國際貿易對散熱膜產品影響的重要途徑。

還原氧化石墨烯法生產石墨烯散熱膜工藝流程（來源：富烯科技）

2、石墨膜散熱效能的提升空間已較小。

盡管相對于其他技術路線制備的石墨散熱膜，PI類薄膜碳化-石墨化法在機械拉伸強度、結構完整性、晶型結構缺陷和碳原子有序程度等方面表現較為出色，但由于受到聚酰亞胺分子取向度的限制，該方法僅在薄膜較薄時才能實現較高的熱導率700-1950W/（m·K）。因此，人工石墨膜的厚度相對較?。?5~60μm），且散熱效能的進一步提升空間有限。

石墨烯和石墨的結構區別：石墨烯是石墨的單層結構，石墨烯的二維結構限制了散射中的維度，導熱性更好

相比之下，基于氧化石墨烯方法制備的高導熱石墨烯膜實際熱導率雖也已經達到1500-2000W/（m·K），但石墨烯散熱膜的散熱性能理論值可達5300W/（m·K），散熱效能的提升空間還有很大，隨著研究攻關的推進，石墨烯散熱膜的實際散熱效能還將進一步提升。同時，由于石墨烯膜是通過有序堆疊氧化石墨烯 (GO) 納米片以及隨后的還原/石墨化來獲得的，結構完整有序，熱導率受厚度影響較小，因此其厚度在大范圍內（10-300μm）可調，厚度較小的石墨烯膜可以適應智能手機內較小的散熱空間，而在一些縫隙較大的機型上，厚度較大的石墨烯膜不僅可以更好地填滿手機與機殼之間的縫隙，減小熱阻，還可以擴大平面內導熱通量。此外，在機械拉伸強度上，石墨烯薄膜也有極大的優勢，幾乎是石墨薄膜三倍，高達70mPa。

石墨烯膜未來該往什么方向突破？

目前石墨烯散熱膜的制備仍有很多關鍵技術亟待突破，例如大片徑氧化石墨烯批量合成技術、石墨烯微觀缺陷修復技術、超厚氧化石墨烯膜快速組裝技術等。

1、大片徑、高單層率氧化石墨烯批量合成技術

氧化石墨烯的高定向自組裝是實現石墨烯膜高導熱性能的核心，而要實現氧化石墨烯的高定向自組裝，則要求氧化石墨烯微片單層率超過90%，目前高單層率氧化石墨烯的制備面臨著氧化成本高、易團聚的難題。除此之外，為了減少界面散射的發生，需要盡可能制備出大片徑的單層石墨烯，但大片徑石墨烯的制備需要大片徑氧化石墨烯作為原材料，因此，亟待發展橫向尺寸在幾十微米、甚至幾百微米的大尺寸石墨烯材料規?；咝Э煽刂苽浼夹g。

石墨烯微觀結構

2、石墨烯微觀缺陷修復技術

石墨烯中在制備、組裝和后處理過程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能團等）也會使聲子散射，限制了單層石墨烯在尺寸作用下熱導率的增長，石墨烯中在制備、組裝和后處理過程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能團等）也會使聲子散射，因此，要提高石墨烯材料的導熱性能，需要盡最大可能修復石墨烯材料微觀結構的缺陷，制備出石墨烯片排列有序、片間接觸緊密、結構缺陷少的石墨烯薄膜，增大聲子的平均自由程，從而提高熱導率。

石墨烯晶格中可能存在的缺陷（右）

3、超厚氧化石墨烯快速組裝技術

由于電子產品散熱需求不斷增加，新的散熱方案除了要求散熱膜具有較高的熱導率，還有必要提升散熱膜的厚度，從而提高平面方向的導熱通量。而要提高散熱膜的厚度，依賴于超厚氧化石墨烯的組裝，如何在組裝過程中實現氧化石墨烯的規整堆疊和較窄的片層間距，以確保性能的穩定性和可控性，是目前一個具有挑戰性的問題。

GO納米片組裝過程

參考來源：

1、林少鋒,石剛,江大志.石墨烯材料在熱管理領域的應用進展[J].科技導報.

2、曹坤,王菁瀟,董承衛等.石墨烯基導熱薄膜的研究進展[J/OL].材料科學與工藝.

3、Yu Zhang,Shijun Wang,Pingping Tang,Zhenfang Zhao, Zhiping Xu, Zhong-Zhen Yu,and Hao-Bin Zhang，Realizing Spontaneously Regular Stacking of Pristine Graphene Oxide by a Chemical- Structure-Engineering Strategy for Mechanically Strong Macroscopic Films.

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