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中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室、中國科學院大學Fengxia Yang等--各向異性石墨烯薄膜導熱性和柔性提高,可實現高效的熱管理
       電子器件小型化、致密化的快速發展,對高導熱、柔性熱界面材料(TIM)提出了大量需求,以保證電子器件的使用可靠性且延長其使用壽命。在此,我們通過真空輔助過濾策略提出了高導熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在強大的真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅動下,由于氫鍵(H-鍵)的作用,Gr片層呈層狀堆疊。高層合Gr/PVP膜(GPVP-F)具有81.2 W m-1 K-1的面內導熱系數,5.1 W m-1 K-1的通面導熱系數。在實際應用中,GPVP-F作為柔性TIM使用時,可將發光二極管(LED)芯片冷卻4.3℃(從46.1℃降至41.8℃),在室溫器件(< 50℃)冷卻方面處于先進水平。此外,GPVP-F在100℃條件下仍具有良好的導熱性(68.1 W m-1 K-1),經過10次加熱冷卻循環后仍具有良好的穩定性。更重要的是,出色的靈活性確保了GPVP-F能夠應用于不規則形狀的設備。以上結果使GPVP-F在電子器件熱管理方面具有廣闊的應用前景。
 
圖1. (a)GPVP-F的制備示意圖。(b,c)GPVP-F的數碼照片。(d) GPVP-F橫截面的SEM圖像。(e) Gr/PVP溶液和Gr溶液的照片。(f) Gr/PVP的TEM圖像。
  
圖2. (a) GPVP-F和Gr粉末的XRD圖譜。(b) GPVP-F和Gr粉末的拉曼光譜。(c)10℃ min-1,N2氣氛中, GPVP-F、Gr粉末和PVP加熱至600℃的TG曲線。(d) GPVP-F的XPS測量圖。(e) GPVP-F的反卷積C 1s。(f)Gr/PVP粉末和Gr粉末的FTIR圖譜。
 
圖3. (a)由不同Gr含量的分散體制備的GPVP-F的導熱系數。(b) GPVP-F的面內、通面導熱系數和熱擴散系數。(c) GPVP-F的導熱系數隨溫度的變化。(d) GPVP-F在加熱和冷卻循環過程中的導熱系數變化曲線。
 
圖4. 本工作中與其他文獻中報道的Gr基薄膜的熱導率的比較。
 
圖5. GPVP-F沿平面內和穿過平面方向的熱傳導機制示意圖。
 
圖6. (a) 測試GPVP-F冷卻效率的實驗裝置:裸態LED和GPVP-F-基LED的數字照片。LED的中心溫度作為工作時間的函數(b),以及相應的IR圖像(c)。
 
圖7. 基于有限元分析的GPVP-F的LED冷卻系統的溫度分布。裸態LED(a)和LED-GPVP-F(b)的有限元模型。LED裸態(c)和LED-GPVP-F(d)的溫度分布。 

       相關研究成果由中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室、中國科學院大學Fengxia Yang等人于2023年發表在Ceramics International (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.04.225)上。原文:Anisotropic graphene films with improved thermal conductivity and flexibility for efficient thermal management。

轉自《石墨烯研究》公眾號
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