自2018年華為Mate 20X手機率先使用石墨烯膜散熱技術后，國內主流手機廠商紛紛在旗艦機型中使用石墨烯膜。據不完全統(tǒng)計，2020年二季度到2021年二季度，我國使用石墨烯導熱膜的手機銷量接近2900萬部，石墨烯膜累計用量約130萬平方米。
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所(簡稱中科院山西煤化所)副研究員孔慶強在接受《中國科學報》采訪時給出上述數(shù)據。在他看來，“隨著5G智能手機滲透率的快速增加，石墨烯導熱膜有望迎來爆發(fā)式增長”。
據安信證券等研究機構預測，到2022年，全球手機散熱市場規(guī)模將超過35億美元。為應對大功率電子器件的散熱需求，中科院山西煤化所組建了以“709課題組+705課題組”為主要成員的“大兵團”，成功研制出熱通量高、柔韌性好等綜合指標優(yōu)越的石墨烯導熱膜，建成十噸級氧化石墨烯漿料和千平方米級石墨烯膜中試平臺，并在多款衛(wèi)星中定型使用，成為中國航天科技集團、中國電科集團等單位的合格供貨方。
新材料備受“熱寵”
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，石墨烯導熱膜逐漸成為電子散熱材料的“熱寵”。
作為709課題組成員，孔慶強表示，在石墨烯導熱膜逐漸成為熱門散熱材料之前，主流電子散熱材料主要采用以聚酰亞胺薄膜為原料制備的人工石墨膜，雖然人工石墨膜面內熱導率較高(1000~1500 W/mK)，但受原料膜限制，其厚度也較小(25~60μm)，“更重要的是，這些原料主要依賴進口”。
相比之下，石墨烯導熱膜兼具高熱導率(1000~1200W/mK)和高厚度(100~300μm)。此外，它的橫向擴熱能力是人工石墨膜的4倍以上。
但孔慶強指出，目前石墨烯導熱膜的制備仍有很多關鍵技術難題亟待突破，例如大片徑氧化石墨烯批量合成技術、超厚氧化石墨烯膜快速組裝技術和低成本熱處理技術等。
“像石墨烯膜的制備，通常需要在2800℃以上的高溫下進行石墨化處理，但目前只能采用間歇式生產工藝，不僅能耗高，生產效率也很低。”孔慶強說。
滿足關鍵領域需求
中科院山西煤化所副研究員、705課題組成員陶則超告訴《中國科學報》，目前市場上的石墨烯導熱膜主要應用于消費電子領域，用戶主要關注產品的熱導率和厚度指標，應用于航天等關鍵領域的石墨烯導熱膜很少。
而此次中科院山西煤化所研發(fā)的石墨烯導熱膜，主要應用于航天等關鍵領域。這要求石墨烯導熱膜除了達到良好的熱導率和厚度等核心指標外，彎曲半徑、可凝揮發(fā)物、輻照性能等其他十幾項技術指標也要達標。“任何一個指標不達標，都會導致產品無法使用。”陶則超說。
實際上，早在2014年，中科院山西煤化所就依托多年的石墨烯研發(fā)技術，開展了石墨烯導熱膜的研究，突破了多項關鍵技術，并在2016年應用于關鍵領域大功率電子器件中。
陶則超告訴記者，此前團隊主要研發(fā)的是100μm厚的石墨烯膜，而當嘗試將其厚度做到200μm時，氧化石墨烯膜經過炭化處理后會直接碎掉，無法再進行后續(xù)處理。
為了突破氧化石墨烯膜的炭化工藝瓶頸，研發(fā)團隊首先優(yōu)化了炭化的工藝參數(shù)，將良品率提高到50%。隨后又改進了氧化石墨烯的合成工藝，最終解決了這項難題，同時也為后續(xù)研發(fā)300μm厚的石墨烯膜打下堅實基礎。
陶則超表示，此次研發(fā)的石墨烯導熱膜具有優(yōu)異的綜合水平，可以達到“宇航級標準”，不僅在超厚膜成型、專用漿料、致密化、熱處理等關鍵過程擁有自有技術，還申請了10項發(fā)明專利，其中4項專利已經獲得授權。
“大兵團”作戰(zhàn)
在中科院炭材料重點實驗室副主任、中科院山西煤化所709課題組組長陳成猛看來，石墨烯導熱膜之所以取得重要突破，與打破課題藩籬，開展“大兵團”式作戰(zhàn)密不可分。
“針對復雜的系統(tǒng)工程，整合研究所內相關方向優(yōu)勢力量，打造聯(lián)合攻堅團隊，能充分發(fā)揮中科院體系化、建制化的優(yōu)勢。”陳成猛說。
早在2007年，中科院山西煤化所就開始了石墨烯的研究。2012年，該所709課題組成立，隨后完成了氧化還原石墨烯的噸級中試，中試產品銷往國內外300余個用戶單位，在石墨烯材料制備方面積累了豐富的經驗。
而中科院山西煤化所705課題組長期從事炭基熱管理產品的研發(fā)，先后開發(fā)了石墨擴熱板、柔性均熱膜、泡沫石墨、導熱索等代表性熱管理材料和熱控產品，在多個星載電子產品熱控分系統(tǒng)中獲得連續(xù)應用。
“兩個團隊打破課題組的藩籬，分可獨立作戰(zhàn)，合可協(xié)力攻堅，實現(xiàn)了團隊、技術和平臺的優(yōu)勢互補、快速打通‘料—材—器—用’創(chuàng)新鏈，為掌握石墨烯導熱膜成套核心技術創(chuàng)造了十分有利的條件。”陳成猛說。
實際上，中科院山西煤化所開展這種“大兵團”式研發(fā)并非第一次，此前曾應用于炭纖維和煤制油等重大技術攻關，但在石墨烯導熱膜項目上還是首次。
陶則超表示，目前團隊建立的中試平臺具備年產十噸氧化石墨烯的生產能力，最終可以生產1000平米石墨烯膜，可供2.2萬部手機使用，大約能滿足100顆衛(wèi)星的需要。
“在我國，從氧化石墨烯制備一直做到終端石墨烯膜的中試平臺還是比較少見的。”陳成猛告訴記者，目前團隊正與國內多個投資方進行對接，推動石墨烯膜技術從中試走向產業(yè)化。
“目前的中試平臺產能有限，已無法滿足用戶的訂單需求。”陳成猛說，下一步，團隊將根據市場需求，擬建設年產20萬平方米高通量石墨烯膜生產線，預期可實現(xiàn)年產值2.7億元。
具體而言，一期計劃建立一個萬平方米級工業(yè)示范線，主要瞄準滿足國家重大需求的高附加值領域，并逐漸擴大產能，向消費電子領域的旗艦機型拓展。
陳成猛表示，除了石墨烯導熱膜，團隊還將根據用戶需求，研發(fā)更高厚度的石墨烯擴熱板和導熱/儲熱雙功能膜。
在他看來，目前我國的石墨烯研發(fā)生態(tài)和市場環(huán)境已有明顯好轉，也更趨于理性和務實。“在一些細分領域，石墨烯已展現(xiàn)出了重大的技術和商業(yè)價值。我們要客觀公正，用耐心、細心和恒心去看待石墨烯這一新技術，做符合科學規(guī)律和歷史規(guī)律的事。”
