石墨烯自從被發現以來，因其優異的性能，在工業領域中擁有極佳的應用場景和無可比擬的地位，被稱為“新材料之王”。目前，石墨烯產業研究發展方向是圍繞國家對新一代顯示器件、大健康、環保、高端製造等戰略性新興產業的需求，不斷拓展新興產業領域的應用，其在導熱、散熱領域的應用就是其中的前沿方向之一。
電子元器件的熱量管理對信息和智能社會的發展無疑十分關鍵。信息技術快速發展使得芯片功耗顯著增大，熱量管理成為其中至關重要的核心環節。熱量導出快慢決定了芯片是否可以正常運行。具有高導熱能力的散熱薄膜是這方面的關鍵材料，是實現高效率熱量管理的有效手段。據權威市場研究機構統計預測，2022年全球散熱界面材料市場將達13.43億美元。因此，發展高性能、低成本散熱薄膜材料已經成為關係未來消費電子、信息技術乃至人工智能等許多領域的關鍵。安德烈·海姆說過：“石墨烯導電導熱率高，化學結構又十分穩定，是一種很理想用於導熱散熱的新型材料”。本文將對石墨烯膜、石墨烯LED散熱、石墨烯塗料等方面加以歸納和總結。
一、石墨烯散熱膜
手機散熱一直是困擾手機發展的一大問題。現在，主流的手機內部散熱方式是石墨散熱。石墨散熱片通過將手機發熱的中心溫度分佈到一個大區域，以便均勻地散熱。部分金屬外殼的手機還增加了金屬背部散熱。但是手機溫度一旦高於常規標準，手機就會出現卡頓、反應慢等問題，以往廠家都是通過大面積的金屬背板、限制最高溫度，來實現手機溫度控制，效果都不盡人意。
石墨烯散熱技術與石墨片散熱，名字雖然相似，但是實際性能卻有天壤之別。石墨烯的導熱係數為5300W/（m·K）,是已知導熱係數最高的材料，其散熱效率遠高於目前的商用石墨散熱片。可以說，石墨烯是智能手機等電子產品最理想的散熱材料。
現有的手機散熱薄膜主要採用的是聚酰亞胺（PI）薄膜經過碳化和高溫石墨化後形成的人造石墨膜。其製備工藝複雜、成本昂貴，且高質量PI薄膜和人工石墨膜生產技術仍然為美國、日本等國控制。相比之下，石墨烯散熱薄膜（如圖1所示）優勢明顯，工藝過程易控、成本低、環境友好，薄膜性能與現有人工石墨膜相當（甚至更好），潛力巨大。然而，石墨烯散熱膜目前市場尚無成熟產品。儘管文獻報道宣稱石墨烯散熱膜可望實現高達1500～1900W/（m·K）的熱導率，但實際測量值遠低於此結果，意味著其中的關鍵問題有待進一步解決。
近期華為公司公佈了華為Mate20系列手機。其中最大的黑科技是石墨烯散熱技術。華為Mate20X在多款遊戲中均可達到接近滿幀的表現，較iPhone XS Max、三星Note9遊戲體驗更佳。官方實測顯示，1h遊戲後，華為Mate 20X的正反面溫度分別只有37.4℃、38.1℃，明顯低於三星Note 9和iPhone XS Max。溫度的降低得益於採用石墨烯膜進行熱傳導和散熱，這不僅在手機上全球第1次使用了石墨烯散熱膜（Graphene Film），同時也是全球首款搭載真空腔均熱板技術（Vapor Chamber）的手機。
華為Mate20手機上使用的石墨烯導熱膜產品，是以石墨烯為原料，採用多層石墨烯堆疊而成的高定向導熱膜，與市場其他同類散熱材料相比，具有機械性能好、導熱係數高，質量輕、材料薄、柔韌性好等特點，同時填補了國內外石墨烯高導熱性應用產業化的空白，為電子、航空航天、醫療等行業提供高品質、經濟化的整套散熱解決方案。
另外一種製備石墨烯膜的方法為化學氣相沉積法(CVD)，通過此方法制備的石墨烯散熱膜的熱導率可達2000W/(m·K)以上，但是由於在其製備過程中需要在高溫高壓條件下，製備環境苛刻，導致化學氣相沉積法制備的石墨散熱膜的生產成本相對較高，制約了該方法生產的石墨烯膜的實際應用。
二、石墨烯LED散熱
隨著科技的發展，發光二極管(LED)因高亮度、低能耗、生命週期長等優點而風靡全世界，在很多應用領域迅速取代了白熾燈和熒光燈。但是LED不會自發向外輻射熱量，LED會在半導體的連接處產生大量熱量，長時間的熱量積累後，LED的使用壽命會迅速衰減，即使是低功率的LED也會有此問題。隨著我們對LED燈及其照明設備提出更高功率的需求，如何控制LED表面的溫度成為了LED大規模應用的一大挑戰。由於LED燈絲燈的結構沒有多餘的散熱結構件，只能依靠氣體和外殼散熱。根據熱傳導學3要素（傳導、對流和輻射）來看，目前燈絲燈沒有傳導，只有對流和輻射。但是主要還是對流散熱，輻射的比例很小。如果把石墨烯的技術導入到燈絲燈裡，利用石墨烯的熱輻射特性來增加燈絲燈的散熱性，來延長燈絲燈的使用壽命。
為了驗證石墨烯的熱輻射性能，通過在相同的銅片上塗石墨烯和不塗進行對比試驗，測試黑體輻射性能，通過圖像觀察可以看到塗有石墨烯的片區，它的熱輻射特性非常明顯，沒有塗抹石墨烯的區域，沒有明顯的熱輻射特性。當把石墨烯塗在銅箔或者是鋁箔表面上時，同時對比熱成像實驗，結果是一致的，所以石墨烯具有比較好的熱輻射特性。基於試驗得到的結果，將石墨烯用在燈絲的背部位置的金屬基板上，LED加熱產生的熱量通過石墨烯把熱量輻射出去，同時利用泡殼內的導熱氣體來實現有效的對流、降低溫度。根據塗石墨烯和不塗石墨烯產品的對比，可以看到塗有石墨烯的芯片結溫溫度比沒有塗石墨烯的結溫低3～5℃，這樣可以看到明顯地降低芯片的結溫，從而能夠延長燈絲的壽命。
當前，隨著LED市場的逐漸成熟和競爭的逐漸白熱化，如何降低成本，提高LED使用壽命，進而製造出更高性能的LED產品已經成為企業追逐的方向和目標。將石墨烯應用到LED領域，“石墨烯+LED”將為LED產業的發展帶來了一個新的亮點。目前英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院研製的基於石墨烯技術的全新LED燈泡，使用壽命更長，平均價格更低，這對石墨烯在LED領域的應用起到了先河作用，清華大學和北京理工大學的相關石墨烯團隊也加大了石墨烯在LED應用領域的研發。
2016年，山東晶泰星光電科技有限公司（簡稱“晶泰星”）與英國石墨烯照明有限公司簽約合作，成立新的石墨烯公司是已知全球首家將石墨烯技術及產品大規模應用在LED領域的企業，這次合作將石墨烯在LED照明領域的應用推向大規模商業化應用階段，目前晶泰星主要的研究方向是將石墨烯材料於LED燈中。
東旭光電同樣在“石墨烯+LED”創新方面走在了前面。2017年5月，東旭光電收購明朔(北京)電子科技有限公司(以下簡稱“明朔電子”)，取得明朔電子51%的股份。東旭光電成功控股了這家以石墨烯散熱技術為核心的大功率LED照明設備及照明綜合解決方案提供商。在“工業之美·2018年度創新論壇暨頒獎典禮”東旭光電獲獎產品為石墨烯LED燈，其擁有新穎的設計、應用理念，憑藉石墨烯複合材料賦予的高強度散熱能力，以石墨烯智聯路燈、投光燈、汽車旅行燈以及耐高熱輻射工礦燈等系列照明產品為人們日常工作、休閒提供更高質量的專業照明體驗。據悉，目前東旭光電石墨烯智聯路燈已覆蓋全國25個省級區域的超過200個城市，累計安裝超10萬盞，並以每年超過50%的速度增長。
在競爭力方面，此款石墨烯照明產品擁有節能環保與智慧物聯雙重特性。首先，該產品可將燈具內置照明模組體積大幅縮小75%，質量減輕30%以上，從而將節電率提高20%～30%。因此，該產品相較傳統鈉燈可節電80%以上，而且亮度更高，光效更好。
任何新材料或技術走出實驗室都面臨一個共同問題，如何降低技術成本，並實現商業化，同時保證產品的高質量及品質一致性。有業內人士表示，石墨烯是一個非常好的導熱材料，但是以現在石墨烯的生產工藝水平以及生產成本，將石墨烯用在LED會非常浪費其用。只有將石墨烯的生產成本降到非常低的條件下，石墨烯在LED散熱方面才有大規模應用的基礎。
三、石墨烯塗料
散熱塗料是提高物體表面的散熱速度和效率，降低材料表面溫度的特種工業塗料。通過傳導散熱、對流散熱、輻射散熱、蒸發散熱等4種主要方式傳遞熱量，降低基材溫度。由於目前材料科學與工程的快速發展，使得測試儀器、生產設備、零部件的設計、生產向著輕量化、小型化、集成化、高效化方向發展，尤其是超大規模集成電路的高速發展，使得電子器件的高功率密度特徵越來越明顯，由此電子器件表面產生的大量熱量將直接影響到電子器件的工作穩定性和使用壽命。目前常規的冷卻系統和散熱材料所能達到的效果受到極大挑戰，相同的問題出現在在汽車、新能源、軍工、核工業、農業、化工、電子通訊、信息工程等領域。
一般的散熱塗料是以聚合物作為基材，再加入一些導熱性能好的金屬填料包括傳統的金、銅、鋁等，以及一些導熱係數較高的非金屬填料如氮化鋁、氮化硅、氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、碳纖維、碳化硅、碳納米管等。石墨烯納米塗料材料是在現有的塗料體系中加入石墨烯而成的複合塗料，它擁有優異的導熱散熱性能。
將石墨烯塗料塗覆於金屬基材上能大大提高其熱輻射係數，加快熱交換效率；同時石墨烯的獨特片層結構使塗層具備更優異的防腐蝕性能，極大地提高了產品的使用壽命。
石墨烯導熱塗料，用在金屬元器件上，大大增大了導熱效率，石墨烯塗料導熱與普通塗料相比導熱性大大提高，而且能保留良好的機械性能。近年來，許多科研工作者將石墨烯複合塗料應用於導熱散熱領域，每年都有數以千計的文章和專利發表。根據文獻內容，通過特殊方法制備的石墨烯／聚偏二氯乙烯導熱複合薄膜，當石墨烯添加量達到20%（質量分數）時，材料熱導率從0.18Ｗ／（ｍ·Ｋ）提高到了0.562Ｗ／(ｍ·Ｋ)。用液體法制備的石墨烯-硅橡膠導熱複合材料，當石墨烯添加量為9%（質量分數）時，材料熱導率由0.17Ｗ／(ｍ·Ｋ)提高到了0.32Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
石墨烯塗料在塗刷後能大大提高基材的熱輻射係數並達到熱輻射係數0.9以上（理論值接近1），大大加快了熱交換效率。石墨烯輻射散熱降溫塗料能夠以1～13.5μm波長形式輻射帶走基材表面的熱量，降低器件表面溫度，提高器件的使用壽命和穩定性，與顆粒狀的其它散熱填料相比，更容易形成導熱網絡，對塗層增強增韌效果明顯。
四、結語
雖然石墨烯散熱技術會顛覆傳統的散熱模式，但是想要實現其在工業產品上的應用就需要投入大量的費用和人力進行研發，所以這種技術對於研發實力弱的企業來說無疑可望而不可及的。因此加強石墨烯科研機構、生產廠商、下游廠商的合作顯得尤為重要。聚焦能夠解決實際問題的石墨烯導熱散熱膜企業，完善石墨烯導熱散熱膜全產業鏈，根據市場的需求痛點，加快產品的產業化推進速度，努力打開石墨烯導熱散熱產品市場化的整個產業鏈，為石墨烯的應用開闢新的應用方向。
來源：新材料產業