在智能手機(jī)向超薄化、智能化和多功能化的發(fā)展趨勢(shì)下，為了應(yīng)對(duì)處理器算力快速提升，整機(jī)功耗急劇增加，但產(chǎn)品內(nèi)部散熱空間卻越來(lái)越狹小的困境，近幾年，智能手機(jī)的散熱技術(shù)不斷更迭優(yōu)化，出現(xiàn)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(yīng)用于Mate 20 X手機(jī)之后，國(guó)內(nèi)智能手機(jī)的散熱膜應(yīng)用逐漸從石墨膜漸趨向于石墨烯膜，特別是在旗艦機(jī)、游戲機(jī)上，石墨烯膜市場(chǎng)逐漸白熱化，并逐步成為主流散熱技術(shù)之一。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

為什么應(yīng)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(dǎo)熱材料，但在制備工藝和性能上還是有所差異，而手機(jī)廠商紛紛布局石墨烯膜，也是因?yàn)樗谶@兩個(gè)方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。

石墨烯在散熱膜領(lǐng)域中的市場(chǎng)規(guī)模（來(lái)源：中信證券）

1、原材料資源自主可控，成本低

高導(dǎo)熱石墨膜早在2011 年就開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于智能手機(jī)，之后一直是智能手機(jī)散熱的標(biāo)配。為了利用石墨結(jié)構(gòu)的超高平面熱導(dǎo)率，高導(dǎo)熱石墨膜主要采用PI類薄膜碳化-石墨化法的技術(shù)路線制備，即將聚酰亞胺(PI)在惰性氣氛下加壓碳化、經(jīng)2800-3200℃的石墨化處理，再延壓至一定薄度制得。因?yàn)樵摷夹g(shù)路線中需要以高質(zhì)量的聚酰亞胺薄膜為原材料，而其研發(fā)生產(chǎn)具有較高的技術(shù)壁壘，目前主要由美國(guó)杜邦、日本宇部興產(chǎn)、日本鐘淵化學(xué)和韓國(guó)SKPI等廠商壟斷，占據(jù)全球80%以上的市場(chǎng)份額，價(jià)格普遍偏高（約為65萬(wàn)元/噸），所以業(yè)界一直希望能夠找到其它替代方案解決原材料受技術(shù)封鎖的問(wèn)題。

石墨膜產(chǎn)業(yè)鏈（來(lái)源：雪域資本）

高導(dǎo)熱石墨烯膜的規(guī)?；苽鋭t一般使用氧化石墨烯作為前驅(qū)體，通過(guò)超聲分散形成均勻分布的GO水溶液后，經(jīng)真空抽濾、濕法紡絲、蒸發(fā)、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(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)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(wàn)元/噸），因此石墨烯散熱膜是我國(guó)擺脫對(duì)人工石墨散熱膜原材料聚酰亞胺膜進(jìn)口依賴，也是消除國(guó)際貿(mào)易對(duì)散熱膜產(chǎn)品影響的重要途徑。

還原氧化石墨烯法生產(chǎn)石墨烯散熱膜工藝流程（來(lái)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(duì)于其他技術(shù)路線制備的石墨散熱膜，PI類薄膜碳化-石墨化法在機(jī)械拉伸強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整性、晶型結(jié)構(gòu)缺陷和碳原子有序程度等方面表現(xiàn)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(shí)才能實(shí)現(xiàn)較高的熱導(dǎo)率700-1950W/（m·K）。因此，人工石墨膜的厚度相對(duì)較小（25~60μm），且散熱效能的進(jìn)一步提升空間有限。

石墨烯和石墨的結(jié)構(gòu)區(qū)別：石墨烯是石墨的單層結(jié)構(gòu)，石墨烯的二維結(jié)構(gòu)限制了散射中的維度，導(dǎo)熱性更好

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

石墨烯膜未來(lái)該往什么方向突破？

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

1、大片徑、高單層率氧化石墨烯批量合成技術(shù)

氧化石墨烯的高定向自組裝是實(shí)現(xiàn)石墨烯膜高導(dǎo)熱性能的核心，而要實(shí)現(xiàn)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(guò)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(tuán)聚的難題。除此之外，為了減少界面散射的發(fā)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(fā)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(guī)模化高效可控制備技術(shù)。

石墨烯微觀結(jié)構(gòu)

2、石墨烯微觀缺陷修復(fù)技術(shù)

石墨烯中在制備、組裝和后處理過(guò)程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能團(tuán)等）也會(huì)使聲子散射，限制了單層石墨烯在尺寸作用下熱導(dǎo)率的增長(zhǎng)，石墨烯中在制備、組裝和后處理過(guò)程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能團(tuán)等）也會(huì)使聲子散射，因此，要提高石墨烯材料的導(dǎo)熱性能，需要盡最大可能修復(fù)石墨烯材料微觀結(jié)構(gòu)的缺陷，制備出石墨烯片排列有序、片間接觸緊密、結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)

由于電子產(chǎn)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(dǎo)率，還有必要提升散熱膜的厚度，從而提高平面方向的導(dǎo)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(guò)程中實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的規(guī)整堆疊和較窄的片層間距，以確保性能的穩(wěn)定性和可控性，是目前一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

GO納米片組裝過(guò)程

參考來(lái)源：

1、林少鋒,石剛,江大志.石墨烯材料在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào).

2、曹坤,王菁瀟,董承衛(wèi)等.石墨烯基導(dǎo)熱薄膜的研究進(jìn)展[J/OL].材料科學(xué)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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