近日，中国体育彩票大学高分子科学系教授卢红斌课题组的“高质量石墨烯散热膜”项目将亮相2019年中国国际工业博览会。
石墨烯是重要的战略性新兴材料，也是迄今为止厚度最薄、强度最高的材料。十多年来，卢红斌课题组在石墨烯及其复合材料创新发展和产业应用方面取得了系列突破性进展，提出的高质量石墨烯水相剥离制备技术解决了石墨烯的成本高、工艺繁琐、储存运输困难等关键问题，提出的超大片层氧化石墨烯、层数可控高质量石墨烯、超洁净石墨烯、室温膨胀石墨烯三维结构体和自发剥离等差异化石墨烯和复合材料制备新技术解决了石墨烯规模化商业应用中的核心问题。此次亮相工博会的石墨散热膜就是该课题组新近研发的一种可望取代现有高成本、高能耗产品的石墨烯新材料。
成功制备高质量石墨烯散热膜
随着信息技术快速发展，芯片功耗日益增加，热量的快速导出对芯片能否正常运行将起到决定性作用,高效率、低成本的热量管理解决方案至关重要。而随着集成电路高度集成化、耐用消费电子产品日趋轻薄和柔性化，采用具有高导热能力的散热薄膜将逐渐成为实现电子元器件高效率热量管理的有效手段，发展高性能、低成本的散热薄膜材料已经成为关系未来消费电子、信息技术乃至人工智能等许多领域的关键。
石墨烯散热膜是一种厚度可控、性价比突出的高导热薄膜材料。随着5G通讯、LED设备的不断发展，可广泛应用于智能手机、笔记本电脑、通讯基站等各类设备的热量管理。
聚酰亚胺热解人造石墨膜是目前市场上广泛采用的散热膜产品。其原料聚酰亚胺膜（PI膜）的制备关键技术掌握在外国公司手中，中国市场中下游竞争激烈，产品售价不断走低，企业盈利空间持续受到挤压。
“石墨烯散热膜在热量管理中有着很好的应用前景。”卢红斌表示，此次参展的石墨烯散热膜以天然鳞片石墨为原料，成本低廉，材料厚度在5-100微米范围内可控，热导率高，柔韧性好，可连续弯折20000次以上性能无衰减。将其贴到电热片上，温度可下降40℃。石墨烯散热膜成本低、性价比高、工艺过程简洁高效，可望全面替代人造石墨膜，也将为可穿戴设备、柔性显示、高功率武器装备提供新的散热解决方案。
卢红斌介绍说：“高质量石墨烯散热膜的制备从天然石墨出发，环境污染小，性价比突出，或将颠覆现有的散热膜产品。”这一核心技术的应用，有望拉动下游诸多产品实现全面国产化，也为提升天然石墨附加值开辟了新路径。
不断突破石墨烯制备核心技术
早在2008年，卢红斌课题组就注意到了石墨烯的迷人特性。“石墨烯具有很好的导电导热性，而提高高分子材料的导电导热性始终找不到一个令人满意的解决途径。”将两者结合在一起、利用石墨烯对高分子材料进行改性将赋予其更多的功能性。他坦言，“只有掌握好源头技术，才能有效推动相关技术领域的创新发展。”
当他们在实验室中完成高分子材料和石墨烯结合的技术准备，在2010年开始探索石墨烯产业化应用时，他们发现，由于石墨烯的性质极大地受结构、尺寸、孔洞和缺陷数量等因素的影响，从市场上获得满足生产要求的石墨烯十分困难。
考虑到未来工业化生产的需要，如能用水做溶剂实现石墨烯的规模化生产将是十分有利的，但石墨和石墨烯都是疏水物质。由于大的比表面积，石墨烯通常会漂浮在水面上，而石墨则会沉入水底。要让疏水的石墨在水中剥离成为石墨烯谈何容易。
在历经多次尝试和验证实验后，他们终于找到一种可将天然石墨在水中剥离成为单层、高质量石墨烯的独特技术，不仅实现了石墨烯的高效制备，而且工艺过程简洁高效，易于工业化。这为石墨烯的量产应用打下了坚实基础。
然而，这还仅是第一步，为实现石墨烯产业化应用，必须将石墨烯研究向下游延伸。水相剥离技术使得石墨烯的量产成为可能，但如何控制石墨烯的分子量、制备不同尺寸的石墨烯片层仍是亟待解决的关键问题。之前，人们通过分级筛选的方式制备超大片层的石墨烯，过程复杂，难以规模化量产，制备的石墨烯晶格结构也不均匀，距离量产应用仍很遥远。卢红斌课题组另辟蹊径、采用一套全新路线将原料石墨中的石墨烯片层最大程度地保留下来，并且产率极高，这就是他们最早提出的超大尺寸氧化石墨烯制备技术。
卢红斌课题组还提出了室温插层、千倍膨胀以及无缺陷石墨烯的低成本制备技术。未来，室温化学膨胀制备的石墨烯三维结构体将成为复合材料、储能材料、环境治理等应用领域的关键基础原料。课题组改变了传统的高温膨胀制备石墨烯的方法，采用了常温常压下的化学膨胀法，将石墨膨胀成为比表面积巨大的石墨烯三维结构体，后者相比传统高温膨胀石墨拥有更为优良的孔洞结构、导电导热和晶格完整性，在环保、储能和复合材料等领域前景极为广阔。课题组提出的石墨在高分子材料中自发剥离成为石墨烯，并实现均匀分散和晶格结构保留的独特技术，可望为实现高分子与石墨烯的功能性复合和大规模生产提供理想的工业化途径。
在卢红斌看来，课题组对石墨烯的研究是一个高度相关的过程。“从石墨烯的分子尺寸控制，到石墨烯的三维结构构建，再到石墨烯自发剥离与复合的应用突破，这是一个高度相关的整体，我们必须要使石墨烯的制备过程和下游应用的生产过程有机结合在一起。”
“石墨烯是一个可以讲大故事的领域。”卢红斌清醒地认识到，尽管中国的石墨烯产业化技术已经走在了世界的前列，但要让人们切实感受到石墨烯的巨大优势仍有漫长的道路要走。“石墨烯具有非常好的应用潜力，在一些关键领域，我们已经完成了前瞻性研究积累，包括接近产业化的小规模实验，相关技术已经在国内外形成了一定的影响，可以说已经具备了推动石墨烯产品进入实际应用的关键基础。”卢红斌表示：“石墨烯产业化已经进入了快速发展的关键时期，持续不断的努力终将会使石墨烯的潜力在各个领域得到释放，并形成不可替代的应用产品。”
（封面制图：顾金）
