随着5G时代的到来，3C电子产品的芯片散热成倍增长，组装工艺尺寸越来越小。原有材料的散热能力已经不能满足市场的发展需求。
石墨烯作为碳材料的“潜力股”，近年来逐渐成为热控材料的“香饽饽”。氧化石墨烯可以作为原料定向组装成具有一定厚度的大面积薄膜，但其制备工艺面临一定挑战。
比如薄膜的组装效率低，氧化石墨烯本身不导热。需要在2800下进行石墨化，热处理时要保持其机械性能、高密度和平整度等完整性，这对石墨烯薄膜的制备工艺提出了更高的要求。
陈承蒙照片(来源：陈承蒙)
近日，中国科学院山西煤炭化学研究所(以下简称“中科院煤化所”)成功研发出具有高热流密度、良好柔韧性等综合指标的石墨烯导热薄膜。其热导率为880W/mK，厚度为150微米，综合热膨胀能力是现有人造石墨膜的4倍。其中，试验平台现可实现十吨级氧化石墨烯浆料(石墨烯导热薄膜原料)和千平方米石墨烯导热薄膜的生产。
而且各种型号的石墨烯导热薄膜已经作为热管理材料应用于航天领域，由中国航天科技集团、中国电子集团、中科院小卫星中心批量供应。该技术应用拥有10项发明专利，其中5项已获授权。
该研究基于创新性探索，为解决热控方案提供了可行性支持。理论上，单个石墨烯的导热系数可以达到5300 W/MK，然而在大多数应用场景下，单个石墨烯是不能直接使用的，要做成微米厚度的宏观材料。
因此，作为基本结构单元，如何从纳米“跨越”到微米尺度，并保持其优异的性能，需要通过科研的不断创新来解决。
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石墨烯导热薄膜(来源：陈承蒙)
中科院碳材料重点实验室副主任、中科院山西煤炭化学研究所709研究组(先进碳材料与器件研究组)组长陈承蒙及其团队从2007年开始研究石墨烯材料。
在理论创新的同时，他们也进行了一系列的探索和技术迭代。相关论文发表在New Carbon Materials1，Advanced Materials2，Advanced Functional Materials3，Journal of Materials Chemistry A4，Carbon5等。
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气液界面自组装法制备氧化石墨烯薄膜(图片来源：先进材料)
他们用抽滤的方法制作了氧化石墨烯薄膜，但这种方法的缺点是需要20多个小时才能得到厚度只有10微米的薄膜。随后，团队开始探索更高效的成膜方法。2009年，团队在国际上首次提出气液界面自组装方法，十分钟就可以得到一层氧化石墨烯薄膜。
研究结束后，他们还发现碳化石墨烯薄膜虽然具有高导热性，但变得易碎且强度不足。因此，该团队优化了氧化石墨烯的合成工艺，并在成膜过程中引入了增强剂。即使石墨烯薄膜被连续弯曲6000次，它也能保持其原始结构而不断裂。
图(一)GO-CF纸的制备；(b、c)G-CF纸照片一张；(d，e)扫描电子显微镜(平面)；(f，g)扫描电子显微镜(横截面)
团队自下而上有序组装纳米级石墨烯(增材制造)，从而实现石墨烯薄膜热导率超过1000 W/MK。
而且他们将薄膜的厚度从十几微米增加到了100-200微米，同时还具有柔性、高导热、厚度可调节设计、机械性能好等优点。
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GO/C和gGC-2800厚膜的制备(来源：碳)
在早期，石墨烯是一种“生不逢时”的新材料。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫成功地将石墨烯从石墨中分离出来。2010年，他们获得了诺贝尔物理学奖。此后，学术界掀起了石墨烯研究的“热潮”。直到2019年5G的兴起，电子产品的热控成为“卡脖子”技术，石墨烯导热薄膜的技术价值和商业价值才逐渐凸显。
在航空航天领域，率先提出了对轻质高导热材料的明确需求。为了达到减轻重量的目的，卫星和雷达中经常采用桁架结构。陈成猛解释说：“卫星过载时，需要承受10g以上的重力加速度。热管和金属不适合这种条件，一些液体在热控极中。
端条件下甚至会失效。”由于航空航天领域对材料的导热能力的要求比民用产品高一个数量级，还有很多严格的硬性指标，包括外太空的耐辐照、可凝挥发物、力学性能等，因此该材料的考核周期较长（历时 5 年）。
陈成猛表示，石墨烯前期的系列基础研究为应用奠定了坚实的基础。因此，在接到新材料的“任务”、有了具体的应用场景后，便马上想到了解决方案。然后，团队对技术进行了反复的更新和优化，不断提升工艺及材料指标。
打通技术创新链形成工艺包，有望 2 年内实现年产 20 万平米数量级石墨烯导热膜中试技术由中科院煤化所 709 课题组、705 课题组共同研制完成。两个课题组“强强联合”，既有分工又相互融合：709 课题组擅长做石墨烯，因而聚焦氧化石墨烯核心原料，705 课题组专注于做碳基热管理材料，聚焦于导热膜的研制以及终端用户的对接。联合研发团队共 70 多人，集“产学研用”为一体，包括科研人员、工程师、在读研究生等。
陈成猛认为，该技术最大的挑战在于石墨烯导热膜是多学科交叉、复杂的系统工程。
第一，步骤繁琐、工艺路线长、工艺控制点多。首先将天然石墨通过氧化合成做成氧化石墨烯，然后再把它组装成氧化石墨烯薄膜。而氧化石墨烯薄膜在热稳定化、石墨化后，还要进行分级致密化，才能做成高柔韧性、高密度的导热膜。
第二，用化学的材料和方法，应用在物理的场景，这也意味着需要多学科交叉共同完成。包括物理、化学、化工、高分子、炭化工学和微电子等。
第三，在该材料制备过程中工艺条件较苛刻、材料构效关系复杂。据了解，终端用户对材料的要求是全方位的（例如模切、背胶、覆铜封装等）。并且，多个技术指标需达到均衡，再加上技术指标之间相互制约、影响等，这些都为石墨烯导热膜的制备增加了难度。
动图丨陈成猛在实验室对石墨烯材料表面含氧官能团进行定量分析（来源：陈成猛）
2012 年，陈成猛团队开始高纯度氧化石墨烯浆料的中试；2014 年年底，建成了吨级中试线；2015 年年底，其产能扩大至 5 吨。随后经过系列技术改造，现在可以稳定地每年生产 10 吨。
2015 年开始，该团队专注于石墨烯导热膜的研究，与 705 课题组形成联合团队后，目前已做到年产 1000 平米的石墨烯导热膜中试，可满足航空航天领域的热控薄膜材料的需求。
图丨陈成猛团队（来源：陈成猛）
该团队始终以技术的应用落地为主旨，对石墨烯导热膜的产业化也有清晰的规划。“我们将在 2022 年年底，打造出年产 2 万平米的工业示范线，预计 2023 年底可以实现年产 20 万平米。”陈成猛说。
他认为，中试将技术做扎实，未来产业化的效率才能更高。目前，团队已经打通“料要成材，材要成器，器要好用”的技术创新链，形成了工艺包，并且产品已经在卫星、雷达等领域定型应用。
陈成猛表示，提升成膜的质量、解决工艺的连续性、降低能耗、提高生产效率、提高良品率、提高膜的尺寸等产业化技术挑战，需要二次开发或者工程化技术开发，提供更综合性的工程化解决方案。
导热储热一体化是发展趋势，未来石墨烯导热膜每平米成本有望在 100 元以内据了解，石墨烯导热膜在中试平台每平米的成本大概 300-500 元，未来大规模、批量化制备有望每平米在 100 元以内。
下一步，该团队希望在满足航天航空领域热控需求的前提下，逐步进入 3C 电子市场。目前，该团队已与华为、中兴、OPPO 等主流手机厂商对接合作。
图丨石墨烯导热膜中试平台（来源：陈成猛）
石墨烯导热膜应用场景广泛，例如星载雷达的 T/R 组件（Transmitter and Receiver）、光学卫星 CCD 相机的轴向均热、平板电脑或超级本固态硬盘、工业激光器、LED 芯片、有机电激光显示（OLED）等。
陈成猛认为，目前该领域是蓝海，市场缺口很大。“整个市场的需求大概在 5000 万平米，而目前该领域的研究机构及企业自研产量最多在 300-400 万平米。并且，我相信石墨烯市场不仅是导热膜，还有很多新的应用场景。”
从技术发展角度，陈成猛认为，石墨烯导热膜和新型的热管结合以及导热和储热一体化是该领域的发展趋势。“未来到了 6G 时代，需要把薄膜的热导率做到 1500 W/mK 甚至 2000W/mK，同时厚度做到 150-300 微米（类似均温板的厚度）。”
成为煤化所历史最年轻的学科“带头人”，把技术从实验室做到终端用户2006 年陈成猛从中国矿业大学矿物加工工程专业毕业后，进入中科院煤化所材料学专业攻读硕士、博士，师从杨永岗研究员。2010 年（读博第二年），他还在德国马普学会弗里茨哈伯（Fritz Haber）研究所学习一年。
陈成猛与石墨烯结缘很早，刚到中科院煤化所学习时，碳素领域前辈王茂章研究员便建议他尝试研究石墨烯。从 2006 年开始，他专注氧化还原法研究，陆续发表石墨烯在宏观体组装、热管理、电磁屏蔽和电化学储能等方面的论文。
由于博士期间的优异表现，中科院煤化所在他博士毕业前伸出了橄榄枝。2012 年 7 月，在陈成猛博士毕业一个月后，中科院煤化所成立 709 课题组，专门从事石墨烯规模化生产技术开发，27 岁的陈成猛成为了煤化所历史上最年轻的学科“带头人”。
图丨陈成猛（来源：陈成猛）
作为石墨烯领域的领军人物之一，2017 年，陈成猛因在石墨烯领域的突出成绩，入选了《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（TR 35）中国区榜单。
陈成猛认为，石墨烯领域的研究多年来一直“雷声大雨点小”，石墨烯导热膜从理论研究到商业化应用就像打通了“任督二脉”，属于“杀手锏”的应用，也让更多人看到了石墨烯产业化的曙光。
该团队的石墨烯研究得到了业内肯定，很多国内高校、科研院所、企业都从该团队采购材料做基础研究或者产品开发。截止目前，已经累积国内外 300 余家用户。
他们始终将科学、技术、工程融会贯通，持续不断地提升技术成熟度，再根据用户的需求不断地调整方向，最终为市场需求提供科学的解决方案。
陈成猛指出，做科研不能“闭门造车”，多倾听用户的心声才能发现市场的实际需求甚至痛点，真正地把技术从实验室做到终端用户。“这次石墨烯导热膜做到中试，更坚定了我们走自主创新科研道路的信心，甚至可以走在国际的前端。”
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参考：
1.Cheng-Meng Chen et al. 有序石墨烯导电炭薄膜的制备
http://xxtcl.sxicc.ac.cn/article/id/8673
2.Cheng-Meng Chen et al.Self-assembled free-standing graphite oxide membrane. Advanced Materials, 21(29): 3007-3011( 2009).
https://doi.org/10.1002/adma.200803726
3.Qing-Qiang Kong et al. Hierarchical graphene-carbon fiber composite paper as a flexible lateral heat spreader. Advanced Functional Materials, 24(27): 4222-4228(2014).
https://doi.org/10.1002/adfm.201304144
4. Ning-Jing Song et al. Thermally reduced graphene oxide films as flexible Lateral heat spreaders. Journal of Materials Chemistry A, 2(39): 16563-16568(2014).
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c4ta02693d
5.Hui Jia et al.Dual-functional graphene/carbon nanotubes thick film: bidirectional thermal dissipation and electromagnetic shielding. Carbon, 171: 329-340(2021).
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.09.017
