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石墨烯,5G时代的最佳散热材料?

       我国导热领域起步较晚,由于高端产品技术仍垄断在欧美及日本等少数企业中,国内众多导热界面材料生产厂家仍以低端产品输出为主,销售额仅占市场总额10%左右。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等TIM材料(导热界面材料)为主。目前热管和VC(均热板)开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机终端,石墨烯材料也开始应用。相对而言,VC和石墨烯的导热系数高、厚度低,是性能更佳的散热材料。

石墨膜:散热方案的主流材料

      石墨是相较于铜和铝等金属更好的导热材料,主要原因在于石墨具有特殊的六角平面网状结构,可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。在水平方向上,石墨的导热系数为300~1900W/(m*K),而铜和铝的导热系数约为200~400W/(m*K)。在垂直方向上,石墨的导热系数仅为5~20W/(m*K)。因此,石墨具备良好的水平导热、垂直阻热效果。同时,石墨的比热容与铝相当,约为铜的2倍,这意味着吸收同样的热量后,石墨温度升高仅为铜的一半。此外,石墨密度仅为 0.7~2.1g/cm3,远低于铜的8.96g/cm3和铝的2.7g/cm3,因此可以做到轻量化,能够平滑粘附在任何平面和弯曲的表面。

      基于高导热系数、高比热容和低密度等性能优势,石墨自2009年开始批量应用于消费电子产品,2011年开始大规模应用于智能手机,目前已经取代传统金属,成为消费电子领域主流的散热材料。

 

石墨烯膜:理化性能丰富,国产优势明显

1.导热系数最高、导电性能好,下游锂电材料和导热膜空间巨大

      石墨烯是已知的导热系数最高的物质,理论导热率达到5300W/(m*K),远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅为0.335nm,又称为单层石墨,是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准,单层石墨烯指由一层碳原子构成的二维碳材料。

 

      石墨烯的快速导热特性与快速散热特性,使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料,广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能 LED照明、超薄LCD电视等散热。除高导热性之外,石墨烯还有其他优异的理化特性,因此下游应用广泛。例如,导电性高,可应用在集成电路、导电剂、传感器和锂电等领域;比功率高,可作为超级电容和储能元件;柔性强,弯折不影响性能,可作为柔性材料用于曲面屏和可穿戴设备;具有高透光率,可用于透明导电薄膜。

2.石墨烯薄膜的应用领域包括:

(1)导热膜,用于智能手机和平板电脑等的散热层;
(2)柔性显示,用于柔性显示屏和可穿戴设备等领域;
(3)传感器材料,用于可穿戴设备、医疗和环境监测等领域;
(4)集成电路基础材料,用于超级计算机、高频芯片和精密电子元件等领域。

2. 我国石墨烯产业全球领先,参与者众多

      石墨烯的相关研究从1994年开始出现,2004年英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯,并于2010年诺贝尔物理学奖。近年来,石墨烯研究持续走热,专利数量不断增加,同时产业化进程也在不断推进。

      我国石墨烯理论研究和产业化均位居世界前列。理论研究方面,根据石墨烯产业联盟的数据,截止2016年,在全球主要优先权专利申请统计中,我国石墨烯专利占比达58%(其次是韩国和美国)。产业化方面,石墨烯在战略前沿材料中占据关键地位,中国计划实现石墨烯产业“2020年形成百亿产业规模,2025年整体产业规模破千亿”的发展目标。