中國儲能網(wǎng)訊：目前先進微電子及光電產(chǎn)品正朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，導致傳統(tǒng)的微電子、光電子系統(tǒng)載體材料面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。電子元器件的發(fā)熱問題越來越突出，傳統(tǒng)金屬（如鋁、銅等）散熱材料由于自身密度較大、熱膨脹系數(shù)高、使其熱導率大幅下降等局 限性，已很難滿足散熱需求。
石墨材料具有低密度、低熱膨脹系數(shù)和較高的熱導率等優(yōu)點，是近年來最具發(fā)展前景的導熱材料。一般石墨材料的常溫熱導率僅為70~150 W/(m·K)左右，而石墨(002)層面理論熱導 率高達2500 W/(m·K)[1]，石墨烯更具有突出的理論導熱性能(3080～5150 W/(m·K))，這是因為石墨材料的高導熱特性源于沿碳六角網(wǎng)狀結構組成的石墨片層方向具有的高導熱系數(shù)，而在垂直于石墨片層方向的熱導率卻較低，因此在高導熱石墨材料的制備過程中，應盡量使石墨片層沿同一方向排列，并在使用過程中揚長避短，通過適當?shù)脑O計使熱量沿該方向傳遞。由于具有高導熱特性的石墨膜是以大尺寸的石墨微晶和石墨烯網(wǎng)面沿纖維軸的高度取向為結構特征的，而芳香環(huán)在同一平面的平面型聚酰亞胺大分子更容易生成高結晶性石墨膜。
根據(jù)傳熱機理以及碳材料結構特征，研究納米碳材料特殊的熱傳導內(nèi)在過程，分析納米類石墨烯熱界面材料的導熱機理，查閱國內(nèi)外的參考文獻發(fā)現(xiàn)這方面的研究還處于建立模型和仿真階段，涉及到的機理還沒有搞清楚，缺乏實驗論證，并且有關高導熱石墨材料制備技術及生產(chǎn)設備的報道也很少，導致在我國對這種高導熱功能材料研發(fā)就顯得十分迫切。
基于石墨烯特征，提出了由聚酰亞胺前驅體制備高導熱的新型柔性石墨膜器件，首先合成了易生成大尺寸石墨微晶的平面型聚酰亞胺前驅體高分子，并通過控制亞胺化技術獲得高取向聚酰亞胺前驅體薄膜；然后，對其進行穩(wěn)定化、碳化、石墨化處理。
成功得到具有高導熱特性柔性石墨膜的關鍵，是聚酰亞胺前驅體薄膜內(nèi)平面型高分子的高度取向結構如何在后處理過程中固定、保持甚至提高，并最終轉化為石墨膜內(nèi)石墨烯網(wǎng)面沿平面拉伸方向的高度取向結構，包括納米石墨片間、石墨層間界面是怎么相互關聯(lián)的，因此石墨材料內(nèi)部石墨晶體的各向異性及微晶尺寸和其取向不同，決定了其導熱性能和柔韌性大相徑庭，控制石墨膜器件內(nèi)部石墨微晶尺寸、取向及其連續(xù)性，是提高其特定方向熱導率的關鍵。這種新型技術在我國的開發(fā)，可為計算機和國防工業(yè)等對其需 求極為迫切的諸多領域提供高性能熱材料。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外研究的散熱石墨材料主要有金剛石薄膜、高定向熱解石墨、石墨塊、天然石墨、中間相瀝青基帶狀碳纖維膜等，最近，比金屬銀、銅熱導率還要高的人造石墨膜倍受世人關注。石墨烯薄膜因具有高的比表面積、突出的導熱性能和力學性能及其非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異的性質，在微電子、量子物理、材料、化學等領域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應用前景，但是制備石墨烯的方法都比較復雜，整個工藝過程很難控制，且只能生產(chǎn)少量的石墨烯納米薄膜。石墨邦 www.shimobang.cn —國內(nèi)首家碳石墨電商平臺 迄今為止，利用化學氣相沉積法和溶液化學法（氧化石墨）規(guī)模制備石墨烯已經(jīng)成為可能，然而石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞， 使其電子性質受到影響，限制了其在精密微電子領域的應用。
金剛石薄膜是理想的基板散熱材料。多年來人們一直想通過石墨來合成金剛石，但由于二者之間存在巨大能量勢壘，人工合成金剛石必須使用高溫高壓 技術，從而導致合成金剛石價格昂貴。目前人們采用化學氣相沉積(CVD)低壓制備金剛石炭膜。金剛石薄膜應用開發(fā)還存在許多問題，金剛石薄膜異質外延生長的機理還不十分清楚。金剛石炭膜中存在的較大內(nèi)應力，降低了薄膜和基體間的結合強度，導致薄膜 在金屬基體表面成膜困難。
石墨塊是在石墨材料中加入一些具有催化作用的粒子，如B,Si,Cr, Ti等元素，促進炭材料基體向石墨結構的轉變，提高基體的石墨化度，使材料具有較高的熱導率。山西煤炭化學研究所邱海鵬等采用石油焦、煤瀝青和Ti或Ti-Si二元粒子，在8~10 MPa壓力和2400~2600 ℃溫度下，通過一次熱壓的方法，制備Ti摻雜和Ti-Si二元摻雜石墨材料，其中Ti摻雜石墨的熱導率達424W/(m·K)，Ti-Si二元摻雜石墨材料的熱導率高達494 W/(m·K)。含有石墨成分的陶瓷石墨，塑料石墨等復合材料，替代金屬型材作為散熱器材使用，摻雜石墨容易剝離和脫落，柔性比較差，不能彎折，易碎。
中間相瀝青纖維膜具有較高的導熱性能和較強的可設計性，在航空、航天、軍工、核能及民用高端電子工業(yè)等領域得到了廣泛應用。目前，雖然已經(jīng)探索寬平面、高取向、高導熱中間相瀝青基帶狀碳纖維的制備，但由于石墨微晶的擇優(yōu)取向繼承于中間相瀝青纖維內(nèi)部液晶芳香大分子相對于纖維軸向的取向結構。帶狀中間相瀝青纖維的熔紡工藝（紡絲溫度、紡絲壓力、收絲速度等）的調控和氧化穩(wěn)定化條件（氧化溫度、氧化時間、氧氣量等）的控制，是制備高度晶體取向碳纖維的關鍵，否則其石墨微晶和取向就會發(fā)生紊亂，導致傳導性能急劇下降。
人造石墨膜是指利用含碳的高分子膜經(jīng)過炭化、石墨化工藝制得的石墨膜，日本目前在人造石墨膜的研究、生產(chǎn)領域處于比較領先的地位，但是眾多的人造石墨膜制造文獻均未公開完整的人造石墨膜的制作方法，如公開號為CN1826288A的發(fā)明專利公開了一種“薄膜狀石墨及其制造方法”，其內(nèi)容主要闡述的是為人們廣泛知曉的人造石墨膜原料膜聚酰亞胺的制造，沒有公開制作石墨膜的具體工藝，再如文獻“高溫炭化對聚酰亞胺薄膜結構與性能的影響”，也沒有闡述石墨膜的制作工藝，只是講述了原料在炭 化、石墨化工程中的變化過程以及物理化學性質的變化。專利CN102149633A公開了一種碳質膜的制造方法，即由其制得的石墨膜，但實際制成石墨膜的導熱性并不優(yōu)越，其石墨的晶體結構不夠發(fā)達，即使后期通過壓延加工也不能改變這種制作方法帶來的先天缺陷。
2 研究基礎
在固體材料中，熱傳導有2種方式：一種是通過自由電子流實現(xiàn)的，多數(shù)金屬屬于這一類；另一種是靠晶格振動，非金屬主要屬于晶格導熱體。在一定溫度下，晶體中原子的熱振動有一定的振幅，一個原子 振動會對鄰近原子施加周期性作用力，如果鄰近原子 處在較低溫度，振動振幅相應較小，相互作用的結果 發(fā)生能量轉移，這樣就使熱量由熱端向冷端傳遞。石墨為六元環(huán)排列而成的平面維疊在一起形成的層狀結構。
層面之間熱量的傳遞是通過聲子傳導進行的，而平行于層片方向形成離域大π鍵，電子可以自由移動，因此石墨材料的導熱是由聲子傳導和電子傳導的2條途徑共同作用的結果。由于石墨層片面內(nèi)碳原子間距較小（0.142nm，化學鍵合），而層間距較大（>0.3354nm，離域大π鍵相互作用，相當于分子間范德華力），聲子的傳導和電子的傳導主要都是沿著片層方向的，因此石墨內(nèi)熱傳導是各向異性的，即在片層方向具有極高的熱導率，而在垂直于片層方向具有較低的熱導率。對于一般碳材料而言，其內(nèi)部結構是介于無序和 理想結構之間的過渡結構，與理想石墨結構相比，石墨層片的取向度較低、尺寸小、缺陷多，因此聲子傳熱與晶格的完整性、缺陷多少等密切相關。
當石墨層片的尺寸減小、缺陷增多時，大π鍵的連續(xù)性也受到影響，電子導熱也會受到很大程度的限制。碳材料的熱導率與石墨化程度密切相關。石墨化程度愈高，內(nèi)部微晶尺寸越大，晶格波的平均自由程也越大，導熱率愈高，因此，可以通過調控碳材料內(nèi)部石墨層片的理想程度達到控制其熱導率的目的。當材料的微結構 接近理想石墨時，就會具有超高熱導率。
國外人造石墨膜的制備技術和實驗工藝高度保密，而且對我國實行長期禁售政策，加上生產(chǎn)此類材料的工藝復雜、成本較高。又由于我國在該領域的基礎研究不足，相關研究工作剛剛起步，因此盡快開發(fā)出可進入市場的高導熱人造石墨膜具有重大的經(jīng)濟效益和社會意義。早在20世紀60年代，人們就以熱解沉積法制備了高定向熱解石墨，然而由于其制備工藝較為苛刻，造成材料十分昂貴。
3 研究進展
近幾年來，課題組對石墨薄膜的制備進行了前期的研究，取得了一系列有價值的研究成果。石墨薄膜前驅體在預氧化過程中，其結構由線形高分子鏈的分子間和分子內(nèi)進行環(huán)化交聯(lián)，形成大分子梯形結構，并在高溫環(huán)境下逐步進行演變重排，進行非碳元素的脫除，最終形成了石墨片層結構，其化學結構變化見圖1和圖2。
聚合物結構演變在低溫熱解膜的過程首先進行鏈段結構斷裂和熱交聯(lián)反應，熱交聯(lián)反應實現(xiàn)聚酰亞胺結構重整。經(jīng)過多次試驗分析發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺結構重整發(fā)生在550～700℃，此時聚酰亞胺 結構中的亞胺環(huán)分解、醚鍵斷裂，生成的自由基發(fā)生熱交聯(lián)反應形成穩(wěn)定的立體結構。石墨邦 www.shimobang.cn —國內(nèi)首家碳石墨電商平臺 酰亞胺環(huán)的分解與醚鍵的斷裂造成結構重排，形成交聯(lián)結構，由線性結構逐步形成網(wǎng)絡結構。逐漸形成六角碳環(huán)的多環(huán)芳環(huán)結構，進一步稠環(huán)化轉化成平面網(wǎng)狀結構，形成碳微晶，進而無序堆積成類石墨烯結構。
通過炭化、高溫石墨化制備石墨薄膜的工藝，已經(jīng)制得了電阻率小于1.1μ?·m、熱導率達到1100 W/(m·K)的高定向石墨薄膜，但達到石墨烯的理論熱導率還有很大的空間。在不同電流密度下制備石墨膜的第1次循環(huán)（見圖3a）和選擇的循環(huán)（見圖3b）的充放電曲線及不同溫度熱處理石墨膜的電阻率和熱導率見圖4，發(fā)現(xiàn)石墨膜具有良好的充放電性，熱導率高達1100~1200 W/(m·K)。
石墨膜局部形態(tài)見圖5，其中白色箭頭方向為石墨烯薄膜拉伸平面方向，可以看出，在聚酰亞胺薄膜前驅體中，類似石墨烯片層結構似乎已經(jīng)形成，而且通過預氧化和碳化后的組織結構具有一定遺傳性，然而聚酰亞胺前驅體的超分子結構是一線性分子鏈結構，通過預氧化（環(huán)化和交聯(lián)形成 耐熱梯形結構）和碳化（交聯(lián)和芳構化）后才形成最終類石墨烯片層結構，并且類石墨烯片層與類石墨烯片層之間有一定的狹長針狀空隙，這種結構演變規(guī)律是怎樣的，空隙是怎樣影響類石墨烯片層結構形成的，怎樣控制類石墨烯薄膜的厚度和長度，涉及到各個階段的工藝參數(shù)怎樣優(yōu)化，怎樣建立相應各個階段的原子排列結構模型，結構和導熱性能的相關性是怎樣的，要真正弄清這些微觀結構的形成和演變機制，系統(tǒng)全面的研究工作尚須設計和實施。
4 結論與展望
針對石墨薄膜目前的研究現(xiàn)狀及存在的問題，基于已經(jīng)開展的預研工作，將繼續(xù)通過炭化、高溫石墨化制備高導熱柔性石墨薄膜器件的工藝，通過調整影響制備石墨薄膜的工藝參數(shù)如升溫速率和保溫時間等，并對取向態(tài)形成的動態(tài)過程進行觀察，揭示石墨 片晶的形成機理；基于石墨烯特征和現(xiàn)代測試表征有效地控制組成石墨薄膜的石墨片晶厚度和尺寸的影響因素，闡明高取向聚酰亞胺前驅體高分子向石墨烯網(wǎng)面沿薄膜拉伸方向高度取向的大尺寸石墨微晶的轉變機理，明確結構及其性能的相關性，從而解決關鍵科學問題。
總之，這種新型功能薄膜器件的成功開發(fā)和利用，將進一步緩解我國國防工業(yè)和電子封裝器件等諸多領域對高導熱材料極為急迫的需求，促進上述領域的科技進步和發(fā)展，具有重要的科學意義和現(xiàn) 實應用價值。
責編：張珊珊
