【原創】5G時代突破“散熱”難題的重要材料將如何發展？

中國粉體網訊  隨著電子產品向集成化、復雜化、小型化和高運算領域的逐漸發展，耗散功率也隨之加倍，持續高溫會導致電子產品的性能和可靠性逐漸惡化，散熱成為一個亟待解決的問題，各行各業的研究者們開始逐漸關注散熱材料的發展。

來源：碳元科技

高導熱石墨膜：5G時代突破“散熱”難題的重要材料

高導熱石墨膜是一種新型導熱散熱二維材料，由于優異的抗熱沖擊性、低電阻率、高模量、耐腐蝕性，特別是高熱導率、低熱膨脹系數和低密度在實際應用中受到了國內外研究者的關注，可以與金屬、樹脂、陶瓷等材料復合以滿足更多的設計功能和需要，被認為是最具潛力的高效熱管理復合材料增強體之一，是5G時代電子設備突破“散熱”難題的重要材料。

高導熱石墨膜的制備

高導熱石墨膜按照制備原料不同主要可以分為兩大類：天然石墨導熱膜和人工石墨導熱膜。

制備天然石墨導熱膜的主要原料是天然鱗片石墨，含碳量一般在97%以上；含碳量越高，石墨膜純度越高，石墨化度也越高，石墨膜的熱導率就越高。生產上優選含碳量超過99%的天然石墨作為原材料。天然石墨粒徑尺寸一般分布在20~80目之間，如果粒徑太小，膨化后膨脹石墨直徑較小，這樣將不利于最后的壓延成片；如果粒徑太大，制備的石墨膜產品強度又太低，晶型結構不穩定。市面上可售的天然導熱石墨膜大多采用可膨脹石墨作為原材料。

目前，國內關于膨脹石墨的生產工藝已非常成熟。將篩選合格的膨脹石墨經螺旋機輸送到料斗中，經過膨脹、冷卻、分離、預壓、啞光、切邊、切斷、卷取等工藝，即得到天然石墨導熱膜。

制備人工合成石墨導熱膜的主要原料是PI膜，該薄膜是目前世界上性能最好的薄膜類絕緣材料之一，是由均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚在強極性溶劑中經縮聚并流延成膜再經亞胺化而成。

人工石墨導熱膜制備的工藝和核心技術是PI膜的碳化和石墨化過程。碳化是在減壓或在氮氣（N₂）氛圍中對PI膜進行預熱處理，碳化的溫度在800～1500℃。在升溫時可對PI膜施加適當壓力以避免膜材發皺。石墨化是在減壓或在惰性氣體（氬氣（Ar）、氦氣（He）等）的保護下進行，石墨化的溫度在1800～3000℃。高導熱石墨膜前驅體PI薄膜經碳化、石墨化后，形成高導熱石墨膜，再經壓延、貼合、模切等工序后裝入電子產品。

高導熱石墨膜前驅體PI薄膜的應用示例

來源：瑞華泰

相較而言，PI類薄膜碳化-石墨化法在制備具有高熱導率的高結晶性和高取向性石墨膜方面更有優勢。

高導熱石墨膜的制備

高導熱石墨膜存在的問題

在目前階段PI石墨膜存在如下缺點：（1）自身剛性和抗拉強度等機械性能差；由于高溫下化學鍵的斷裂和再生成，非碳原子的離開造成了微觀結構上的晶體缺陷，石墨膜的韌性降低，不耐彎折。（2）PI原膜和高溫石墨化制備的成本仍很高。同時在炭化、石墨化工藝過程的參數，如升溫制度、壓力、氣氛等以及不同種類的PI原膜都將對PI石墨膜最終的導熱性能有重要影響。

一方面，業內嘗試將PI基膜與其他質輕、高導熱的碳原材料復合制備石墨膜復合材料，或者石墨膜作為導熱增強體，與高分子材料或金屬材料等基體復合，制備成高導熱復合材料。另一方面，隨著石墨烯大規模制備技術的發展，基于氧化石墨烯方法制備的高導熱石墨烯膜成為研究熱點。

研究高導熱石墨烯膜有兩個重要意義，其一，是由于人工石墨膜成本較高，且高質量聚酰亞胺薄膜制備困難，業界希望高導熱石墨烯膜能夠作為替代方案。其二，是由于電子產品散熱需求不斷增加，新的散熱方案不僅要求導熱膜具有較高的熱導率，也要求導熱膜具有一定厚度，以提高平面方向的導熱通量。在人工石墨膜中，由于聚酰亞胺分子取向度的原因，石墨化聚酰亞胺導熱膜只有在厚度較小時才具有較高的熱導率。而石墨烯導熱膜則易于做成厚度較大的導熱膜(~100μm)，在新型電子器件熱管理系統中具有良好的應用前景。

小結

5G時代，隨著電子產品功耗的增加和結構設計的升級，高導熱石墨膜逐漸由傳統單層石墨膜向復合型石墨膜發展，超厚型石墨膜的應用增加；同時隨著柔性顯示的滲透率增加，石墨膜的耐彎折性能更加重要。PI薄膜的易石墨化、適合整卷燒制等加工特性日益重要。與此同時，隨著5G時代的到來，智能終端對散熱組件擴熱能力提出更高要求，石墨烯導熱膜也逐漸成為電子散熱材料的“熱寵”。

參考資料：

翁夢蔓等.基于聚酰亞胺的高導熱石墨膜材料的研究進展

徐濤等.石墨烯導熱材料的研究進展

宋厚甫等.石墨烯導熱研究進展

常靖.石墨膜表面改性及石墨膜/鋁層狀復合材料導熱性能研究

（中國粉體網編輯整理/黑金）

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