石墨烯导热膜应用（中科院研发宇航级）

随着 5G 时代的到来，3C 电子产品的芯片散热量成倍地增加，装配的工艺尺寸越来越小，原有材料的散热能力已无法满足市场的发展需求。

作为炭材料的“潜力股”，石墨烯近年来正逐渐成为热控材料的“香饽饽”。氧化石墨烯可作为原料定向组装成一定厚度的大面积薄膜，但其制备过程中面临一定的挑战。

例如，薄膜的组装效率较低、氧化石墨烯本身并不导热等。需要在 2800℃ 高温下对它进行石墨化，在热处理过程中还要保持其完整性，如力学性能、高致密程度、平整性等，这对石墨烯薄膜的制备工艺提出了更高的要求。

图丨陈成猛（来源：陈成猛）

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所（以下简称“中科院煤化所”）成功研制出热通量高、柔韧性好等综合指标优异的石墨烯导热膜，其热导率达 880W/mK，厚度 150 微米，并且综合扩热能力为现有人工石墨膜的 4 倍，其中试平台目前可实现十吨级氧化石墨烯浆料（石墨烯导热膜的原材料）和千平方米级石墨烯导热膜的生产。

并且，石墨烯导热膜的多款型号已经在宇航级应用作为热管理材料定型使用，为中国航天科技集团、中国电科集团、中科院小卫星中心等单位批量供货。该技术申请发明专利 10 项，其中已获得授权 5 项。

基础研究是创新探索，为解决热控方案提供可行性支撑

理论上，单片石墨烯的热导率可达 5300W/mK，但在大部分的应用场景，单片的石墨烯并不能直接使用，而是要做成微米级厚度的宏观材料。

所以，如何作为基本的结构单元从纳米“跨越”到微米的尺度，并能保持其优异的性能，需要通过科学研究的不断创新来解决。

图丨石墨烯导热膜（来源：陈成猛）

中科院炭材料重点实验室副主任、中科院山西煤化所 709 课题组（先进炭材料与器件研究组）组长陈成猛与其团队从 2007 年开始，对石墨烯材料进行研究。

理论创新的同时，他们也做了系列探索研究和技术的迭代。相关论文先后发布在New Carbon Materials[1]、Advanced Materials[2]、Advanced Functional Materials[3]、Journal of Materials Chemistry A[4]、Carbon[5]等。

图丨气液界面自组装法制备氧化石墨烯薄膜（来源：Advanced Materials）

他们将氧化石墨烯通过抽滤的方式做氧化石墨烯膜，但这种方法的缺陷是速度慢，20 多小时才能获得一张厚度仅为 10 微米的薄膜。随后，该团队开始探索更高效的成膜方法。2009 年，该团队国际首创性地提出了气液界面自组装法，十几分钟就可以得到一张氧化石墨烯膜。

之后的研究他们还发现，炭化后的石墨烯膜虽然热导率高，但变得很脆，强度不够。因此，该团队优化了氧化石墨烯的合成工艺，在成膜过程中引入增强体，得到的石墨烯薄膜即便连续弯折 6000 次，也可保持原有的结构而不会断裂。

图丨(a) GO-CF 纸的制备示意图；(b,c) G-CF 纸的照片；(d,e) 扫描电镜图（平面）；(f,g) 扫描电镜图（横截面）

该团队将纳米尺度的石墨烯自下而上地有序组装（增材制造），从而实现了石墨烯膜的热导率超过 1000W/mK。

并且，他们将薄膜的厚度从十几微米提高到 100-200 微米，同时还具备了柔韧性、高热导率、厚度上可设计可调控、良好的力学性能等优点。

图丨GO/C 和 gGC-2800 厚膜的制备示意图（来源：Carbon）

在初期，石墨烯还是“生不逢时”的新材料。2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈· 盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）成功地从石墨中分离出石墨烯。2010 年，他们获得了诺贝尔物理学奖，学术界从此掀起了石墨烯研究的“热潮”。直到 2019 年 5G 兴起后，电子产品的热控变成“卡脖子”技术，石墨烯导热膜的技术价值和商业价值才逐渐凸显。

在航天航空领域，率先对轻量化、高导热率的材料提出明确的需求。为达到减重目标，卫星、雷达等多采用桁架结构。陈成猛解释道：“卫星在过载状态下，需要承受 10g 以上的重力加速度，热管和金属并不适用于这种条件，有些液体在热控极端条件下甚至会失效。”

由于航空航天领域对材料的导热能力的要求比民用产品高一个数量级，还有很多严格的硬性指标，包括外太空的耐辐照、可凝挥发物、力学性能等，因此该材料的考核周期较长（历时 5 年）。

陈成猛表示，石墨烯前期的系列基础研究为应用奠定了坚实的基础。因此，在接到新材料的“任务”、有了具体的应用场景后，便马上想到了解决方案。然后，团队对技术进行了反复的更新和优化，不断提升工艺及材料指标。

打通技术创新链形成工艺包，有望 2 年内实现年产 20 万平米数量级

石墨烯导热膜中试技术由中科院煤化所 709 课题组、705 课题组共同研制完成。两个课题组“强强联合”，既有分工又相互融合：709 课题组擅长做石墨烯，因而聚焦氧化石墨烯核心原料，705 课题组专注于做碳基热管理材料，聚焦于导热膜的研制以及终端用户的对接。联合研发团队共 70 多人，集“产学研用”为一体，包括科研人员、工程师、在读研究生等。

陈成猛认为，该技术最大的挑战在于石墨烯导热膜是多学科交叉、复杂的系统工程。

第一，步骤繁琐、工艺路线长、工艺控制点多。首先将天然石墨通过氧化合成做成氧化石墨烯，然后再把它组装成氧化石墨烯薄膜。而氧化石墨烯薄膜在热稳定化、石墨化后，还要进行分级致密化，才能做成高柔韧性、高密度的导热膜。

第二，用化学的材料和方法，应用在物理的场景，这也意味着需要多学科交叉共同完成。包括物理、化学、化工、高分子、炭化工学和微电子等。

第三，在该材料制备过程中工艺条件较苛刻、材料构效关系复杂。据了解，终端用户对材料的要求是全方位的（例如模切、背胶、覆铜封装等）。并且，多个技术指标需达到均衡，再加上技术指标之间相互制约、影响等，这些都为石墨烯导热膜的制备增加了难度。

动图丨陈成猛在实验室对石墨烯材料表面含氧官能团进行定量分析（来源：陈成猛）

2012 年，陈成猛团队开始高纯度氧化石墨烯浆料的中试；2014 年年底，建成了吨级中试线；2015 年年底，其产能扩大至 5 吨。随后经过系列技术改造，现在可以稳定地每年生产 10 吨。

2015 年开始，该团队专注于石墨烯导热膜的研究，与 705 课题组形成联合团队后，目前已做到年产 1000 平米的石墨烯导热膜中试，可满足航空航天领域的热控薄膜材料的需求。

图丨陈成猛团队（来源：陈成猛）

该团队始终以技术的应用落地为主旨，对石墨烯导热膜的产业化也有清晰的规划。“我们将在 2022 年年底，打造出年产 2 万平米的工业示范线，预计 2023 年底可以实现年产 20 万平米。”陈成猛说。

他认为，中试将技术做扎实，未来产业化的效率才能更高。目前，团队已经打通“料要成材，材要成器，器要好用”的技术创新链，形成了工艺包，并且产品已经在卫星、雷达等领域定型应用。

陈成猛表示，提升成膜的质量、解决工艺的连续性、降低能耗、提高生产效率、提高良品率、提高膜的尺寸等产业化技术挑战，需要二次开发或者工程化技术开发，提供更综合性的工程化解决方案。

导热储热一体化是发展趋势，未来石墨烯导热膜每平米成本有望在 100 元以内

据了解，石墨烯导热膜在中试平台每平米的成本大概 300-500 元，未来大规模、批量化制备有望每平米在 100 元以内。

下一步，该团队希望在满足航天航空领域热控需求的前提下，逐步进入 3C 电子市场。目前，该团队已与华为、中兴、OPPO 等主流手机厂商对接合作。

图丨石墨烯导热膜中试平台（来源：陈成猛）

石墨烯导热膜应用场景广泛，例如星载雷达的 T/R 组件（Transmitter and Receiver）、光学卫星 CCD 相机的轴向均热、平板电脑或超级本固态硬盘、工业激光器、LED 芯片、有机电激光显示（OLED）等。

陈成猛认为，目前该领域是蓝海，市场缺口很大。“整个市场的需求大概在 5000 万平米，而目前该领域的研究机构及企业自研产量最多在 300-400 万平米。并且，我相信石墨烯市场不仅是导热膜，还有很多新的应用场景。”

从技术发展角度，陈成猛认为，石墨烯导热膜和新型的热管结合以及导热和储热一体化是该领域的发展趋势。“未来到了 6G 时代，需要把薄膜的热导率做到 1500 W/mK 甚至 2000W/mK，同时厚度做到 150-300 微米（类似均温板的厚度）。”

成为煤化所历史最年轻的学科“带头人”，把技术从实验室做到终端用户

2006 年陈成猛从中国矿业大学矿物加工工程专业毕业后，进入中科院煤化所材料学专业攻读硕士、博士，师从杨永岗研究员。2010 年（读博第二年），他还在德国马普学会弗里茨哈伯（Fritz Haber）研究所学习一年。

陈成猛与石墨烯结缘很早，刚到中科院煤化所学习时，碳素领域前辈王茂章研究员便建议他尝试研究石墨烯。从 2006 年开始，他专注氧化还原法研究，陆续发表石墨烯在宏观体组装、热管理、电磁屏蔽和电化学储能等方面的论文。

由于博士期间的优异表现，中科院煤化所在他博士毕业前伸出了橄榄枝。2012 年 7 月，在陈成猛博士毕业一个月后，中科院煤化所成立 709 课题组，专门从事石墨烯规模化生产技术开发，27 岁的陈成猛成为了煤化所历史上最年轻的学科“带头人”。

图丨陈成猛（来源：陈成猛）

作为石墨烯领域的领军人物之一，2017 年，陈成猛因在石墨烯领域的突出成绩，入选了《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（TR 35）中国区榜单。

陈成猛认为，石墨烯领域的研究多年来一直“雷声大雨点小”，石墨烯导热膜从理论研究到商业化应用就像打通了“任督二脉”，属于“杀手锏”的应用，也让更多人看到了石墨烯产业化的曙光。

该团队的石墨烯研究得到了业内肯定，很多国内高校、科研院所、企业都从该团队采购材料做基础研究或者产品开发。截止目前，已经累积国内外 300 余家用户。

他们始终将科学、技术、工程融会贯通，持续不断地提升技术成熟度，再根据用户的需求不断地调整方向，最终为市场需求提供科学的解决方案。

陈成猛指出，做科研不能“闭门造车”，多倾听用户的心声才能发现市场的实际需求甚至痛点，真正地把技术从实验室做到终端用户。“这次石墨烯导热膜做到中试，更坚定了我们走自主创新科研道路的信心，甚至可以走在国际的前端。”

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参考：

1.Cheng-Meng Chen et al. 有序石墨烯导电炭薄膜的制备[J]. New Carbon Materials, 23(04): 345-350(2008) .

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/article/id/8673

2.Cheng-Meng Chen et al.Self-assembled free-standing graphite oxide membrane. Advanced Materials, 21(29): 3007-3011( 2009).

https://doi.org/10.1002/adma.200803726

3.Qing-Qiang Kong et al. Hierarchical graphene-carbon fiber composite paper as a flexible lateral heat spreader. Advanced Functional Materials, 24(27): 4222-4228(2014).

https://doi.org/10.1002/adfm.201304144

4. Ning-Jing Song et al. Thermally reduced graphene oxide films as flexible Lateral heat spreaders. Journal of Materials Chemistry A, 2(39): 16563-16568(2014).

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c4ta02693d

5.Hui Jia et al.Dual-functional graphene/carbon nanotubes thick film: bidirectional thermal dissipation and electromagnetic shielding. Carbon, 171: 329-340(2021).

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.09.017

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