石墨烯的应用——散热.docx

石墨烯的应用
1.石墨散热片
1.1 石墨散热片概述
导热石墨片（TCGS-S）也称石墨散热片，是一种全新的导热散热材料，具有独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热，平面内具有150-1500 W/m-K 范围内的超高导热性能，片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。其分子结构示意图如下：

石墨散热片（ TCGS-S ： Thermal Flexible Graphite sheet)的化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到（TCGS-S）石墨化薄膜，因为碳元素是非金属元素，但却有金属材料的导电、导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等一些良好的工艺性能，因此，在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。
1.2.石墨散热片的散热原理：
典型的热学管理系统是由外部冷却装置，散热器和热力截面组成。而散热片的重要功能是创造出最大的有效表面积，在这个表面上热力被转移并有外界冷却媒介带走。石墨散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。

图 1 TCGS-S 石墨散热片热扩散示意图
1.3.石墨散热片的应用：
石墨散热片通过在减轻器件重量的情况下提供更优异的导热散热性能，能有效的解决电子设备的热设计难题，广泛的应用于PDP、LCDTV 、Notebook PC、UMPC、Flat Panel Display 、MPU 、Projector 、Power Supply、LED 等电子产品。
目前石墨散热片已大量应用于通讯工业、医疗设备、SONY/DELL/Samsung 笔记本、中兴小米等手机、Samsung PDP、PC 内存条，LED 基板等散热等。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟报道：

石墨烯在散热领域的应用
石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备（如LED灯）的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。

        一直以来，大功率LED灯的散热外壳基本全部为铝，目前国内外在积极探索采用导热塑料代替。飞利浦MASTER LED MR16 新式灯具作为全球首例大功率LED应用，其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC 导热塑料所取代，其效果不仅达到了同等级的散热目的，而且整个灯具更轻，耐腐蚀。而石墨烯导热塑料的导热率可从普通塑料的0.2W/mK提高至5-15W/mK，且抗腐蚀，已有Blue Stone等公司开发出采用石墨烯导热塑料的大功率LED产品，并显示了优异的散热性能。另一方面，石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。而散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料，比如苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。
石墨烯导热研究取得进展
中科院山西煤化所在石墨烯柔性散热体领域今年已取得两项重大进展。日前，该所系统研究了氧化石墨烯薄膜在炭化过程中的导热性能演变机制，并获得高性能热还原氧化石墨烯薄膜。此前他们还与清华大学和中科院金属研究所相关团队成功研制出高导热石墨烯/碳纤维柔性复合薄膜。
将纳米石墨烯宏观组装形成薄膜材料，同时保持其纳米效应是石墨烯规模化应用的重要途径。山西煤化所与相关单位通过自组装技术，构建结构/功能一体化的碳/碳复合薄膜。这种全碳薄膜具有类似于钢筋混凝土的多级结构，其厚度在10~200μm之间可控，室温面向热导率高达977W/m·K，拉伸强度超过15MPa。这项研究解决了石墨烯导热应用的难题，是石墨烯领域的一项突破。
以氧化石墨烯为前驱体很容易获得薄膜材料，但这种材料需通过热处理才能恢复其导热/导电性能。山西煤化所的研究结果表明，1000℃是薄膜性能转变的关键点，薄膜的性能在该点发生质变。这一发现不仅解决了石墨烯热化学转变的基础科学问题，也为石墨烯导热薄膜的规模化制备提供了依据。
石墨烯基薄膜可作为柔性面向散热体材料，满足LED照明、计算机、卫星电路、激光武器、手持终端设备等高功率、高集成度系统的散热需求。这些研究成果为结构/功能一体化的碳/碳复合材料的设计提供了一个全新视角。
急速降温 手机中的石墨散热技术

手机在频繁的使用或玩游戏的情况下，手机的内部发热会变得非常严重，尤其是芯片、电池等。发热太高一方面会导致握起来手感不适，另一方面手机的性能也可能会受到影响，甚至是重启或死机。因此为了能够让手机热量更快散出去，不少手机厂商都会给手机贴上石墨散热片，也就是我们常说的石墨散热。

  散热片也称导热石墨片，它是一种全新的高导热散热材料，化学成分主要是单一
的碳(C)元素,是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得
到石墨化薄膜，虽然碳元素是非金属元素，但是却有金属材料的导电，导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等等一些良好的工艺性能，因此导热石墨在中众多领域都有被广泛的应用，包括了我们航空、国防、照片以及我们身边的电子产品。

传统的导热材料主要是金属材料，包括了铜、铝、银等，但金属材料密度大，使用在手机上无疑会增加手机的重量。另外从下图中，我们也看到，在水平方向上石墨的导热系数为1000-1500W/mK，它在水平上的导热系数远高与银、铜、铝等金属（如银、铜、铝的导热系数分别为430W/mK, 400W/mK, 238 W/mK）
        此外，石墨散热片还有一些金属无法达到的优点，他可以非常平滑的贴附在任何平面和弯曲的表面上，并能依客户的需求作任何形式的切割。他的贴附和切割过程都远比金属要简单。
现在在许多品牌都手机上我们都已经看到石墨散热这一技术，包括了iPhone、LG、小米、中兴等。

iPhone 后盖上的石墨散片

iPhone在芯片上也是有石墨散热片的
芯片已达散热极限？使用石墨烯来帮助铜导线散热
当芯片行业的人谈论计算机处理器的发热量问题时，他们总是变得激动起来。2001年，英特尔当时的副总裁帕特·基辛格（Pat Gelsinger）指出，如果最新芯片的温度上升趋势维持不变的话，到了2005年，它们的温度就会超过核反应堆，而到了2015年就会超过太阳表面。幸运的是，这样的发热灾难通过降低微处理器的开关速度以及采用让数个处理器并行的多核芯片设计得到了缓解。
现在，半导体行业面临另外一个需要解决的发热问题。因为芯片元件变小了，连接它们的铜导线也必须变细。而随着导线变得越来越细，它们的发热量极大地提高了。
人们已经找到了有可能解决这种因连接导致发热的方案——石墨烯，这是一种由单层碳原子构成的奇异材料，是热与电的最佳导体。
材料学家已经把铜作为催化剂用来生长其他的石墨烯。所以加州大学河滨分校的亚历山大·巴兰丁（ Alexander Balandin）和曼彻斯特大学的物理学家，因石墨烯基础研究获得2010年诺贝尔奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）决定把石墨烯留在铜的表面，看看这对材料的热性能有何影响。在发表于《纳米快报》（Nano Letter）的论文中，他们写道，铜片两侧覆盖石墨烯而形成的三明治结构可以把铜的散热能力提高25%——对于芯片设计者来说这是个相当大的数字。
巴兰丁说，石墨烯本身似乎并没有把热量传导走。更确切地说，它改变了铜的结构，提高了金属的导热性能。热量在铜内的流动往往会被金属的晶体结构阻碍。石墨烯改变了这样的结构，使得那些障碍更加分散，从而让热量更容易流动，巴兰丁表示。

已完成的研究用的是相对较厚的铜片——远比那些计算机芯片中可以找到的铜导线粗。不过巴拉丁预计在更细的铜线中也存在这样的导热效应。他目前正研究粗细和商用计算机芯片导线相仿的的铜—石墨烯导线。
这是个紧迫的问题。今年，英特尔公司预计将发布采用带有14纳米晶体管的产品，用的是同样尺寸甚至更细的铜导线。直径10纳米以下的铜导线不能正常工作，而可以用什么材料还不清楚。“我们还没找到能在10纳米以下工作的互连材料，”部分原因就是过热，萨罗杰·纳亚克（Saroj Nayak）说。他是纽约州特洛伊（Troy）的伦斯勒理工学院集成电子中心（Center for Integrated Electronics at the Rensselaer Polytechnic Institute）的物理学家。
总部设在加利福尼亚州圣克拉拉的半导体设备制造商应用材料公司的电气工程师马吉德·佛德（Majeed Foad）负责帮助公司跟踪新材料研究。他表示石墨烯的特性令人兴奋，但他补充说，由于芯片元件日益小型化，它们对高温变得愈加敏感。而要制造高质量的石墨烯需要相当高的温度——巴兰丁和诺沃肖洛夫要把他们的导线加热到超过1000°C。佛德说在这么高的温度下晶体管和其他芯片元件会被分解。不过，巴兰丁指出，也有实验室的研究表明，至少在实验室条件下，石墨烯可以在较低温度下生长。
无论如何，佛德说，芯片制造商都不会急于接受石墨烯。“更换材料是非常痛苦的工作，所以我们会去挤压现有材料的最后一滴性能。”
很明显，简单地把更多晶体管塞进处理器并把更多的处理器放进芯片中，是撑不了多久的。高端芯片内部已经有50到60千米长的铜导线以及多个核心了。
半导体行业研究联盟（Semiconductor Research Corporation）是位于北卡罗来纳州达勒姆的行业研究协会。它的互连研究主任乔纳森·坎德拉里亚（Jonathan Candelaria）说，增加更多的晶体管不能像过去那样提高性能了。解决之道可能仍是采用完全不同的架构。设计和封装芯片的新方法可以帮助解决发热问题，而且可以给该行业争取利用新材料解决问题的时间，这些新材料中可能就包括新的石墨烯-铜混合材料，坎德拉里亚说。

美国发明石墨泡沫散热片延长LED寿命
美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员成功利用一种石墨泡沫材料，用于解决高亮度LED因运作高温环境而寿命减短的问题，并将该技术独家授权给其实验室独立而出的公司LED North America。据悉，石墨泡沫类似发泡塑胶，轻且多孔，密度为25%，这使得该种材料很容易做成散热片。LED North America打算在未来利用低温运作的石墨泡沫散热片，提供新一代路灯、车库灯解决方案。