石墨烯热管理应用技术进展

日期: 2020-02-14
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石墨烯热管理应用技术进展

田素云 博士

丁古巧 博士

上海F66永乐国际材料科技有限公司



【引言】

热学又称热物理学,是研究热现象(即与温度有关的物理现象)的科学。在热力学中,热是能量的一种形式,指存在于系统中的内部能量,宏观表现为物体的温度,微观上来讲是物体内有巨大数量微观粒子(分子、原子、电子或点阵粒子等)参与的永不停息的无规则运动,并伴有频繁碰撞。在现有宇宙中,绝对零度以上的任何物体都伴随着一定的热运动,因此我们生活中的物体都进行着一定的热量的传递。然而不同物质的热量传递的效率以及转化热的能力是不同的。热管理的主要目的就是将物体中的积聚热迅速传递出去以及为需要热的物体供应大量的热能。


石墨烯是单层碳原子以sp?杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维晶体,与三维材料不同,其低维结构可显著削减晶界处的声子的边界散射,并赋予其特殊的声子以弹道-扩散模式热传递,使得石墨烯声子的平均自由程长达775 nm [1-4]。采用非接触共焦拉曼测试的单层悬空的绝对理想石墨烯热导率高达5300 W/(m·K),明显高于金刚石和单壁碳纳米管,室温下是铜的热导率的10倍,是物质中传递热能的最强者 [5-7]。当然石墨烯这种热量传递时是具有各向异性的,面向热流量受限于较弱的范德华力耦合作用,使得热导率比面内低2-3个数量级 [8-10]。温度的变化也会影响石墨烯热导率的变化,石墨烯的热导通常会随温度升高而降低。这些特性使得石墨烯可以作为导热材料与其他材料复合使用来提高其他材料的热力学性能,从而应用于材料的热导性能的强化、相变传热强化和纳米流体对流热的强化[11]。


石墨烯热管理应用技术进展

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石墨烯热管理应用技术进展


自2010年开始,各国争相在石墨烯领域进行研究,尤其在关于热性能、热管理方面,通过在Web of Sciences上检索石墨烯导热、石墨烯散热、石墨烯电热、石墨烯热管理等文献信息汇总所得,到2020年为止文章发表数量逐年增加,对石墨烯热性能的研究也越来越深入,如图1所示。就发表文章单位而言,尤以中国科学院发表文章数量最多(图2),其次是美国加州大学系统和加州大学河滨分校,前10名中有7名是中国的科研机构或者大学,表明我国在石墨烯热性能研究方面做出了最突出的贡献。就石墨烯领域专家而言,在国外主要以加州大学河滨分校的Balandin Alexander A教授、Nika Denis L教授团队、新加坡国立大学的张刚教授团队、以及普渡大学的阮修林教授团队贡献最为突出。在国内以中科院宁波材料所虞锦洪、江南等教授团队、上海大学刘建影教授团队、上海交通大学张勇教授团队、张亚菲教授团队等在石墨烯热性能的研究方面最为广、最深入、贡献最多(图3)。就发表文章的国家和地区而言,主要以中国发表的文章数量最多,其次为美国和韩国(图4),均为国际科技程度发展较高的国家。


在散热原理和散热性能研究方面推荐阅读的论文有:

1. Superior thermal conductivity of single-layer graphene, Nano Letters 8 (2008) 902-907. Cited 8164.

2. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials, Nature Materials 10 (2011) 569-581. Cited 3043.

3. Extremely high thermal conductivity of graphene: Prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits, Applied Physics Letters 92 (2008) 151911. Cited 1136.

4. Dimensional crossover of thermal transport in few-layer graphene, Nature Materials 9 (2010) 555-558. Cited 768.

5. Graphene Spreads the Heat, Science 328 (2010) 185-186. Cited 151.


石墨烯热管理应用技术进展

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对比于石墨烯热性能的学术研究,石墨烯的专利发表数量也在逐渐增加,到2018年达到364项(图5),到2019年数量相对减少,表明其石墨烯热性能的研究已经比较成熟,正逐步转化为相应的产品。从国家和地区来看,主要以中国申请的专利数量最多,其次为美国和韩国(图6)。申请专利数量最多的公司为湖州明朔光电科技有限公司,主要用于在LED灯具等产品的热管理应用(图7)。


目前正在高速发展的新型微电子设备、光电转化设备和医疗设备的电子器件部分正向超大集成化发展,微小的温度增加会引起芯片的“热崩溃”,这对热管理效率提出了更高的要求,传统散热的方式可能没法满足这些高发热器件的需求。而采用高散热效率的石墨烯材料可以解决金属因颗粒尺寸小的原因导致的晶界散热限制热载体自由程的问题,从而解决了超大规模集成电路散热难题。进而在超级计算机、卫星电路、5G时代手持终端设备等高功率高集成度系统的散热方面有广泛的应用,还可为碳基纳米集成电路的开发提供解决方案。


除了石墨烯本身在导热散热方面突出的优势外,在增强流体对流热方面也有非常显著的效果。石墨烯的热导率高、比表面积大,以及其具有的动力学稳定性,在应用到纳米流体中可强化相变和对流传热,流体的热导系数和努塞尔数随石墨烯纳米颗粒添加量的升高而增大,传热性能以及热通量可提升数倍,可以完全解决流体热量扩散、大功率器件高热量积聚的问题。这些性能使得石墨烯在高温加热的家用电器、炊具以及大型烘焙设备等方面具有非常大的应用潜力[12]。


【石墨烯热管理技术的突出优势】

高导热:完整的单层石墨烯的导热率为5300 W/m·K,是现有材料中导热性能最好的材料。对于含缺陷和官能团的石墨烯粉体而言,随着制备方法的不同,其导热系数也会略有差别,导热率的分布范围为800-3500 W/m·K,远高于铜、铝等金属材料(表1),具有将产品内部热量均匀分散、快速传导散发到空气环境、减少内部热量积聚的能力 [1,5]。


石墨烯热管理应用技术进展


异形结构:石墨烯热管理技术中,除了石墨烯膜,还可采用喷涂工艺,使用基底的形状但不局限于平面形状,多种各异形状均可进行加工,且基底材料包括金属、玻璃、陶瓷多种材质,使用范围非常广。


抗菌:石墨烯具有较好的抗菌能力,将石墨烯热管理涂层涂于基底材料上,可以很好地阻碍各种细菌生长,在改善器件热性能的同时起到抗菌抑菌的效果。


远红外:石墨烯材料中独特的sp2结构中的C=C伸缩振动模式,可以将吸收的热量转化成4-24 μm的远红外生命光波,其波长范围与人体可吸收的波长和振幅相同,能与人体产生“共振”,从而有效改善血液循环,调节自律神经、消炎功能,增强生物体的新陈代谢 [13]。


超薄:石墨烯作为二维碳材料其厚度为1-10个原子层,形成的涂层,在单位微米厚度就可以堆积大量的石墨烯材料,其涂层中辅助材料也采用亚微米或纳米级大小的微粒,使得最终涂层厚度在10 μm以下,超薄,不影响基材的性能 [14]。


耐腐蚀:石墨烯大的片层结构可以将基底很好的包敷,隔绝基底与腐蚀物的直接接触,石墨烯材料本身具有耐酸耐碱抗氧化抗菌特性,石墨烯热管理涂层在起到高导热特性的情况下,兼具了耐腐蚀的特点。


【石墨烯在低温热管理的应用现状】

低温热管理主要指在100 ℃以下场景中使用的热管理应用,应用方向如服装低压电加热、电子产品散热等,与人们日常生活息息相关。

通过智慧芽系统查询,按照石墨烯电加热专利检索,获得的石墨烯电加热产品应用专利情况如下:


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石墨烯应用于电热/发热领域的专利也在逐年增加(图8),其中尤以中国申请数量最多(图9),表明中国在石墨烯发热产品的应用方面无论是研发还是市场均占有绝对的优势。而在国内的企业中,烯旺新材料科技股份有限公司在该领域申请数量最多(图10),成为该行业的引领者。


基于石墨烯发热产品的研发,石墨烯在低温理疗及保暖服装产品中的应用,产品形态也非常丰富,理疗产品包括护腰、护膝、护颈、眼罩等产品,保暖服装包括发热背心、发热羽绒服等。其主要采用5V电压驱动,安全低电压驱动对人体更加安全。通过产品内置的石墨烯发热膜工作时发射的远红外线波长与人体远红外线波长接近,产生共振起到辅助理疗的作用。低温面状发热,温暖舒适,适合人们在寒冷冬季使用,既能取暖还具有理疗作用。目前市场产品主要品牌有烯旺(烯时代)、二维暖烯、魔烯、百孝堂等。


在居家取暖应用中,石墨烯可制成低温辐射地暖膜和墙暖膜,此类产品适合家庭、酒店、学校等场所大面积整屋取暖。其中,地暖膜采用220V电压驱动,装有石墨烯地暖产品的房间,由下至上辐射热量,取暖更舒适。目前市场主要品牌有牛墨、暖丰、暖季、熊爸爸、同创、中惠、二维暖烯等。另一种墙暖膜可制成发热画等产品形态,多采用220V或24V电压驱动,发热画辐射热量取暖,安装便捷,同时做装饰用,产品品牌有暖丰、熊爸爸、二维暖烯等。


随着5G应用的普及,5G手机功耗是4G的2.5倍,手机表面温度上限为48℃,超过则会导致CPU降频和电池损害等安全问题,而目前智能手机上采用的散热技术主要包括石墨热辐射贴片散热、金属背板散热、导热凝胶散热以及导热铜管散热。从以上四种散热技术特点以及智能手机整体设计趋势来看,适用于5G手机的散热方案将向着超薄、高效的方向发展。散热方案供应链层面,有Laied、Choemerics、Bergquist、Graf Tech、碳元科技、中石科技、飞荣达等国内外企业。采用的石墨片导热率仅为150-1200 W/m·K,石墨烯导热性能是其数倍。石墨烯膜及涂层等多种产品类型更符合未来散热市场需求。目前已宣称使用石墨烯散热膜的手机产品有华为Mate 20 X、Mate 30 Pro 5G、努比亚X。


随着大屏内容和服务愈加丰富,多屏互动为万物互联提供新的连接思路与方式,电视作为智能家居的重要入口之一,伴随互联网新势力的加入,市场竞争激烈(图11)。随着智能电视复杂程度提高,功能逐渐增加和轻薄化设计,对散热也提出更高的要求,石墨烯复合材料及其散热涂料和散热膜产品在电视产品中的应用,有望彻底解决电视散热不均的问题。


石墨烯热管理应用技术进展


【石墨烯在高温热管理方面的应用前景】

相对低温热管理的应用场景,高温条件下(通常大于100 ℃)对热管理的高效、稳定等性能提出了更高要求,而石墨烯因前述一系列优异的综合性能,在高温热管理应用方面具有巨大潜力。


1、激光器

激光器首先由欧美等发达国家最先开始使用,并在较长时间内占据较大的市场份额。随着全球制造业向发展中国家转移,亚太地区激光行业市场份额迅速增长。发展中国家在制造业升级过程中,逐步使用激光设备代替传统设备,对激光器的需求旺盛,是目前全球激光行业市场最主要的驱动力之一。根据报告,2013-2017 年,全球激光器行业收入规模持续增长,从 2013 年的 89.70 亿美元增加至 2017 年的 124.30 亿美元,年复合增长率为8.50%。随着大功率激光器技术突破和增材制造技术的成熟,预计未来激光器行业将持续快速增长。


随着激光技术的推广、应用,近年来国内激光行业逐渐扩大,市场规模持续增长。据数据显示,2017年市场规模超260亿元。未来随着我国激光技术应用领域不断扩展,市场规模将进一步扩大,预计到2023年,中国的激光市场规模将达470亿元。


激光器的工作原理是由电能转换成光能,对于高功率激光器件来说,其电光转换效率大约为50%,其余的电能会产生余热,从而使半导体芯片的温度急速上升,温度特性是半导体材料的一个主要特性,其对激光器的影响主要有三个方面:

①激光器的发光波长随温度变化,同时伴随着光谱宽度的增加,因此,温度对激光器的波长稳定性无疑有重要的影响;

②温度升高,激光器的发光强度会相应地减少。当芯片无法完成散热而使其温度急剧上升时,激光器的工作效率会大打折扣;

③由半导体材料制成的半导体芯片具有一定的热膨胀系数,当温度超过其热膨胀系数时,芯片就会损坏,大大降低了可靠性。

鉴于温度控制对激光器的工作稳定性、工作效率及长期可靠性都有着重大影响,具有出色散热能力的石墨烯材料必将引起激光器制造商的高度关注。高导热率的耐高温石墨烯涂层能有效降低激光器半导体芯片的发热温度,有效增加激光器的使用稳定性与寿命。届时我们的石墨烯涂层能拥有40亿左右的价值空间。


2、厨房电器

随着我国居民生活水平不断提升,对生活品质的要求逐渐提高,日用小家电已走进千家万户,据前瞻产业研究院整理,2018年厨房电器市场规模达640亿元(图12)。厨电市场目前存在市场竞争激烈、产品更新换代速度加快、创新乏力、品牌商游走于价格战边缘等诸 多不利因素,多种优异性能集一身的石墨烯材料的应用潜力将为家电产品创新带来曙光。


电器在使用过程中产生的能耗散热,首选的散热方式是依靠散热器自然散热,即散热器与环境之间的自然对流和辐射散热满足工作温度要求,但是由于受到电子器件结构、大小及安装方式制约,散热器有效传热面积有限,且大部分能量都是通过传导散热,红外散热利用不是很高,在狭小或是真空中电子发热器的散热就成为难题。因此,提高复合传热系数包括提高自然对流和辐射传热强度是此类散热器增强散热性能的方向。


石墨烯热管理应用技术进展

选用片状结构的石墨烯材料作为热管理涂料填料,降低散热器与发热体之间的接触面热阻,提高热传导效率,同时提高远红外发射效率,加快热量从散热器表面的快速散发。双重作用提升热量交换的效果,快速把发热体的热量向四周散发,以达到散热器快速散热的效果。


同等原理,电热炉、电饭煲等炊具(图13),可以利用石墨烯涂料的热辐射性能,极大提升加热效率,也使得加热更均匀。


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3、取暖设备

暖气片主要是由四大部分组成,即锅炉、暖气片、管件管材、控制系统。其中锅炉是用来加热循环水的热源装置,其加热的水通过管材被输送到暖气片装置,而暖气片最终将热量散发到空气中去,使室内形成一定的温差,在经过不断的热循环之后,室内温度就会均匀的上升,进而达到采暖的目的。钢制和铸铁两种材质暖气片共存,在发展过程中,由于钢制暖气片部分出现腐蚀漏水,使钢制暖气片的发展受到阻碍。在这种情况下,铸铁暖气片以其耐蚀性好的优势,赢得了更大的市场。所以,目前我国的暖气片产品,仍以铸铁产品为主,约占销售总量的70%。由于暖气片相对经久耐用,市场相对增长较为缓慢,且我国人口增长早已进入慢通道,使得暖气片市场规模一直增长较缓慢,2018年国内市场规模为90.37亿元(图14),同比仅上涨2.89%,明显低于我国GDP增速。


相对于地暖和墙暖产品,电暖器移动供暖使用更方便、灵活、升温快。受国家煤改电政策以及冬天气温偏低影响,电暖器市场迅速升温。我国取暖器行业一直处于稳定增长状态,而且以出口为主,近年来产量稳步上升,2018年我国取暖器产量为8435万台,同比增长5.3%。销量方面,我国电暖气销量近年来保持稳定增长,截止2018年电暖器销量为759万台(图15)。


石墨烯热管理应用技术进展

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无论是水暖还是电暖产品,散热片表面都要涂覆防锈、抗菌等多种涂层,而石墨烯材料具有阻隔、抗菌、导热等多种优异性能,可以制成多功能涂料涂覆于暖气片。特别是高导热性,可使暖气片的热量快速传递、辐射,极大提高热量利用效率,提升民众的取暖感受。


【F66永乐国际科技石墨烯热管理技术布局和进展】

基于以上所述市场需求和产业现状,F66永乐国际科技开发了石墨烯电热膜技术、氧化石墨滤饼成膜技术、石墨烯涂层技术等。目前主要开发和推广针对在高温环境下的高效快速导热散热的热管理涂层。该技术采用低缺陷、大尺寸石墨烯作为散热主材,配合耐高温无机成膜材料,以及环保型溶剂复合形成的石墨烯浆料,经喷涂工艺,再高温烘干成膜,即可形成耐高温的石墨烯高导热散热涂层。基于不同的基底对浆料进行调整即可实现各基底上牢固附着,如金属、玻璃、陶瓷、塑料等,也可以加工在不同异性、复杂的器件表面,如图16所示。


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工作原理:如图17中所示,高温热源/热点的热量经过基底传到石墨烯涂层上,热量可以迅速的向涂层四周大面积均匀铺展开来,同时向外快速扩散,过程中可将热源处的波长较短的近红外光线转化成波长较长的“生命光波”远红外光线,对人体以及动物等具有促进血液循环、缓解疲劳、促进新陈代谢等理疗功能。基于不同的温度环境,涂层长期可承受300℃以上高温,短期耐温可达500℃,具有优异的耐温性能。在实际的使用过程中,涂层很薄,约为1-10μm,不影响器件的外观和使用,不增加器件的重量和体积,同时由于喷涂工艺的采取,对于要加工的产品形状不局限于平面基底,弧形、球形、折叠等多种异形界面均可加工,极大的拓宽了下游适用产品种类。


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应用展示一:金属板。将石墨烯高温热管理涂层涂于金属板上,占据金属板一半面积,形成一半涂布一半不涂对比,并在其接壤处的背面进行酒精灯加热。实验中可以发现,对于有石墨烯涂层区域在加热时热量迅速向周围成同心圆形式扩散,在高温区域边缘温度可在10s内上升到93℃(如图18所示),而对于未涂层区域,在距离热源相同距离处不能形成同心圆散热效果,且在同样距离的边缘温度只能在加热7分钟后升到石墨烯涂层的一半,约46℃,升温时间是石墨烯涂层的42倍(相关对比结果列入表2中)。这个结果鲜明地展示了石墨烯高温热管理涂层的均热、导热、快速散热的优异性能,因此也必将在多种下游热管理应用领域呈现惊人的效果。


石墨烯热管理应用技术进展

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首先,利用石墨烯的均热性能,用于消费电子产品领域,将石墨烯涂层涂敷在发热核心部件的外壳,可以在短时间内将内部的热量散发出来。由于涂层厚度约5个微米左右,不增加器件的体积和重量,且可随着器件的形状而进行喷涂附着,实现完全贴合。可部分代替现有的导热胶、人工石墨膜、热管等导热方式,真正满足轻薄化、高散热、便携带等客户需求。?


应用展示二:灯具。在灯具等领域,石墨烯的高温热管理也将大有作为。为了让LED发更亮的光而需要输入更高的功率,然而目前高功率LED 的光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限,一般仅有约15-25 %的输入功率成为光,其余则会转换成热能。LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关,散热不好结温较高,寿命就短,依照阿雷纽斯法则温度每降低10 ℃寿命会延长2倍(图19)。


石墨烯热管理应用技术进展

目前已有的散热方式有采用蓝宝石或碳化硅衬底、氮化铝和氧化铝构成的陶瓷基板、铝基板、导热胶、热管、铝合金鳍片散热等方式,可实现的导热率普遍偏低,同时像热管、蓝宝石或碳化硅衬底、氮化铝和氧化铝构成的陶瓷基板等方式工艺难度大、成本高,铝合金鳍片散热会大量增加灯具的体积和重量(图20),对于使用而言非常不便。石墨烯高温热管理涂层以超薄的厚度附着在异形界面结构,可将灯的散热能力提高1倍(图21),快速将热量传递和散发,增强了对流和辐射传热,极大的延长了灯的使用寿命。


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应用展示三:家电。在高温加热领域,尤其是家电、食品加工行业,在热管理方面的技术和市场需求也非常巨大,包括食品烘焙、家用取暖、空调、冰箱、炊具、厨具等领域。


就烘焙而言,全球食品烘焙规模稳步增长,总体规模达到3000多亿美元,而对于现有的大型烘焙设备,仍然采用天然气加热金属板的方式进行烘烤,相对而言,金属板导热差,导致大量的热量在加热过程中丧失,能耗非常高,同时金属板加热过程中发射的是近红外光线,影响最终的食品口感,现有的消费者对食品口味关注最高,占比达48.3%,其次为性价比。利用石墨烯高温散热涂层涂于金属板上,可起到均热、快速传热的效果(如图22),节省大量能耗,减少制作成本,同时经涂层转化的远红外光线,可从食品内部通过引起水分子共振的形式进行加热,不破坏食品的组织成分,口感更佳。


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相似的原理,将石墨烯高温热管理涂层用于炊具产品(图23),如锅具,石墨烯涂层高的均热能力,可将锅底的热量迅速传至锅边,使锅体上下同时加热,缩短了煮饭时间,节省能耗,同时加热过程中发射的远红外光线将不会破坏食物组织,口感甚好。


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电暖器是通过一定的形式将电能转化为热能的装置,随着用电普及以及社会对环境保护的呼吁,再加上方便快捷的使用方式,越来越多的家庭选用电暖器的取暖方式代替传统的燃煤燃气加热以及集中供暖加热方式。在未来,电暖器的使用将不断增加,市场规模仍会持续扩大,目前已有的电暖器的加热形式包括电热丝发热、石英管发热、卤素管发热、金属管发热、碳素纤维发热、金属发热铝片散热、蓄热式电暖器等。随着技术的发展,大部分电暖器都将融入多种先进技术,在节能、高效散热、增强对流和辐射等方面将会进一步改善,为消费者提供更舒适的体验。在这些方面,采用高性能的热管理方式非常必要,石墨烯高温热管理涂层技术可以在不改变原有的加热器件的基础上,进行高效散热,增强热量向外散发的速度,促进对流和辐射(图24),对房间的均热效果非常显著,同时辐射远红外光线,对人体有促进血液循环、促进新陈代谢、缓解疼痛、减少心血管疾病等功能,是非常适合未来消费者需求的高科技产品。


石墨烯热管理应用技术进展

除了在未来的供暖产品上进行革新以外,面对北方已有的集中供暖体系,也可以有同样的措施去改善。通过将石墨烯热管锂涂层附着于水暖器外壁加快传热,可以将温度迅速提升至接近管内水温,是原不涂石墨烯涂层水暖器散热效率的2倍(图25),在实际使用过程中,将最大化的节省能量,增加辐射和对流,最快速的加热房间。同时经过石墨烯涂层后,可将原本的热量转化成远红外辐射的形式,具有理疗功能,有助于人体健康。


在利用热量传递和转移方面,石墨烯涂层的应用范围也相当广,如冰箱、空调等产品。其中对于冰箱制冷过程而言,高温高压状态下的氟利昂蒸气离开压缩机后被送往冷凝器。冷凝器是一种被多次弯曲的管子,称为“蛇形管”,一般是被安装在冰箱背后。由于进入冷凝器的氟利昂蒸气的温度比室温要高,热量就通过蛇形管的管壁向外散发,这样氟利昂蒸气的温度就降低了,并从气态冷凝为液态,随后它离开冷凝器流向蒸发器。蒸发器由另一个蛇形管构成,同冰箱的内部接触。这个蛇形管比冷凝器的蛇形管要细一些,因此氟利昂的流动速度就加快了,随之而来的就是压力骤然下降。过程会有大量的热量在这些部件进行散热,如果散热不及时或者不快将会影响整体的冷冻效果。通过采用石墨烯涂层热管理技术,可以将冷凝管和蒸发器的热量向外散发效率提高1倍,加快了冷冻速度和效率,节省大量的能耗。


石墨烯热管理应用技术进展

空调也具有同样的热转化机理,主要是通过内机的蒸发器与外机的冷凝器之间热量转化,实现冷液在气液之间相互蒸发冷凝进行热交换,过程中热转化效率过低将会增加整体的能耗,影响整体空调制冷或者制热的效果,通过采用石墨烯热管理涂层,加快热量传递,减少不必要的热损失,可增加空调出风量,缩短制冷制热时间,节省能耗,同时石墨烯远红外理疗功能有助于身体健康,石墨烯自身的抗菌性能也有助于发挥防霉防螨功效(图26)。


应用展示四:高功率电子产品。高功率电子芯片在工作时会需要大量的能耗,在这个过程中,将会有大量热产生,这些热不及时散发出去将会造成器件烧坏或者停机事故,影响正常工作使用,例如电磁炉内部芯片、电脑CPU芯片散热、显卡芯片散热、手机芯片散热等(图27,28)。


石墨烯热管理应用技术进展

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同样的对于高功率IGBT,器件的传统封装结构中,芯片上局部热点的热量主要通过自上而下传输到覆铜陶瓷基板(Direct Bonding Copper, DBC),再到外基板,进而通过热沉散发到环境中(如图29),另外热量从芯片向上通过封装树脂及外壳散发到环境中是次要热传导路径,由于封装树脂的导热系数较低,次要路径的热传导速度较慢,热量大部分从主要路径传出。


石墨烯热管理应用技术进展

目前 IGBT 功率器件上广泛使用以导热硅脂为代表的导热材料,填充于安装面与器件散热面之间的间隙。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气,而空气的热导率仅为0.025 W /(m·K),因此严重阻碍了热传导。若将导热材料先涂覆至IGBT散热面表面,在装配及螺钉紧固力的作用下,挤出接触面间的空气并将间隙填充,导热材料的热导率一般在0.8-4 W/(m·K)之间,其热导率是空气的32-160倍,虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成,但能够较好地改善接触面间的热流传递情况,减小热阻,提高散热效率。石墨烯膜/涂层,则可以增强次要途径,从而提高整体的传热效率,增加散热片与外界空气的热交换,加快了芯片内部的热量向外部环境扩散。这样的效果甚至于一些更大的器件也同样适用。如图30,是将石墨烯涂层用于较大型的除湿机及大型的高功率逆变器散热翅片。


石墨烯热管理应用技术进展


随着5G时代到来,基于高功率器件的超级计算机将会逐渐替代现有计算机,成为未来主要的产品,而这样的计算机能耗将是现有计算机的数倍,大量热量需要排出才能保证其正常工作。采用高散热效果的石墨烯涂层技术可快速的将芯片内核心热源的热量传输到涂层并快速扩散到空气,从而实现热量快速转移。


【展望】

因为超越了碳管、碳纤维、金属等低温发热/电加热材料,石墨烯优异的导热均热(面状发热体)性能在保健、家用产品(护腰、护膝、护颈、发热服装、地暖等)上已经展现出足够的优越性;


石墨烯在华为手机上的应用,则展现了石墨烯的魅力和不可替代性,随着石墨烯横向尺寸提升、晶体质量提升、成膜工艺提升和综合成本下降,石墨烯有望逐步蚕食传统石墨散热膜的市场,百亿石墨烯散热膜市场指日可待;


石墨烯在灯具、空调、冰箱、电饭锅、烤箱、消毒柜等方面的应用正在逐步展开,单一市场没有手机散热膜那么大,每个应用都需要系统化解决问题,需要一些时间。


石墨烯在高功率器件上的应用最具挑战性,包括芯片、激光、超算、雷达等。这方面挑战性体现在:1)相关研究需要一定的层次,小企业难以接入竞争;2)相关应用是一个复杂的系统工程,需要深度合作;3)相关公开的数据太少,并且相关基础研究不足。


总而言之,石墨烯在导热、均热、散热方面前景广阔。虽然石墨烯热管理已经走进我们的日常生活,从冬季的保暖和取暖,到日常生活离不开的手机散热,但现有热管理应用还没有充分发挥石墨烯的优势。随着石墨烯学术界超高质量、超大横向尺寸石墨烯材料技术的不断突破,随着石墨烯产业界不断提升生产技术、生产规模,热管理用石墨烯材料将持续提升性能,并降低成本。与下游应用深度结合,将得到更多更广泛应用。


F66永乐国际科技从高质量石墨烯材料为起点和支撑点,从氧化石墨烯到机械剥离石墨烯,再到电化学石墨烯,充分了解和掌握石墨烯制造及其理化特性,在此基础上投入到热管理应用开发,目前比较成熟的是石墨烯电热膜技术和氧化石墨滤饼成膜用于手机散热技术,并正在开发散热涂层(大功率LED、烘焙均热板、热交换器等)和芯片散热(IGBT、CPU、显卡等)技术。寻求有技术需求、生产能力或市场渠道的相关企业深度合作。


参考文献:

[1]Ghosh S. Thermal conduction in graphene and graphene multilayers[D]. UC Riverside, 2009.

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