不是發(fā)熱就叫【熱管理】 熱管理大師的最愛——石墨烯
石墨烯在材料領(lǐng)域的應(yīng)用是極富想象力的，甚至有新材料界的萬金油之稱。石墨烯在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)都有“特異功能”，而本文將要討論的則是石墨烯的熱管理材料才能，熱管理的主要目的就是將物體中的積聚熱迅速傳遞出去以及為需要熱的物體供應(yīng)大量的熱能，而這些需求石墨烯都拿捏的穩(wěn)穩(wěn)的。
備受地球人寵愛的石墨烯
完整的單層石墨烯的導(dǎo)熱率為5300W/m·K，是現(xiàn)有材料中導(dǎo)熱性能最好的材料。對于含缺陷和官能團(tuán)的石墨烯粉體而言，隨著制備方法的不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也會略有差別，導(dǎo)熱率的分布范圍為800-3500W/m·K，遠(yuǎn)高于銅、鋁等金屬材料（表1），具有將產(chǎn)品內(nèi)部熱量均勻分散、快速傳導(dǎo)散發(fā)到空氣環(huán)境、減少內(nèi)部熱量積聚的能力。
全球石墨烯散熱專利分布情況
自2010年開始，各國爭相在石墨烯領(lǐng)域進(jìn)行研究，尤其在關(guān)于熱性能、熱管理方面，在Web of Sciences上的石墨烯導(dǎo)熱、石墨烯散熱、石墨烯電熱、石墨烯熱管理等文獻(xiàn)信息到2020年為止文章發(fā)表數(shù)量逐年增加，對石墨烯熱性能的研究也越來越深入，就發(fā)表文章的國家和地區(qū)而言，主要以中國發(fā)表的文章數(shù)量最多，其次為美國和韓國，均為國際科技程度發(fā)展較高的國家。
新應(yīng)用方向：高效導(dǎo)熱、散熱
根據(jù)The Market for Thermal Management Technologies報告，熱管理產(chǎn)品在全球市場的市值預(yù)估可由2015年的107億美元成長至2021年的147億美元，年復(fù)合成長率（CAGR）為5.6%，不僅顯示熱管理是一重要產(chǎn)業(yè)，也代表市場上對熱管理產(chǎn)品的殷切需求。目前正在高速發(fā)展的新型微電子設(shè)備、光電轉(zhuǎn)化設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備的電子器件部分正向超大集成化發(fā)展，微小的溫度增加會引起芯片的“熱崩潰”，這對熱管理效率提出了更高的要求，傳統(tǒng)散熱的方式可能沒法滿足這些高發(fā)熱器件的需求。
石墨烯具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，且熱輻射系數(shù)超過0.95，因此無論就導(dǎo)熱、散熱或熱管理的角度來看，從電子元件、零組件到LED，石墨烯能提供符合設(shè)計需求的產(chǎn)品型態(tài)，可有效改善現(xiàn)行散熱產(chǎn)品的效能。采用高散熱效率的石墨烯材料可以解決金屬因顆粒尺寸小的原因?qū)е碌木Ы缟嵯拗茻彷d體自由程的問題，從而解決了超大規(guī)模集成電路散熱難題。進(jìn)而在超級計算機、衛(wèi)星電路、5G時代手持終端設(shè)備等高功率高集成度系統(tǒng)的散熱方面有廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)手機散熱材料以石墨片和導(dǎo)熱凝膠等 TIM 材料為主,但是石墨片存在導(dǎo)熱系數(shù)相對較低,TIM 材料存在厚度相對較大等問題?在手機品牌商的推動下,熱管和 VC(Vapor Chamber)均熱板開始從電腦?服務(wù)器等領(lǐng)域滲透到智能手機終端,并且在石墨烯材料持續(xù)取得突破,也開始切入到消費電子散熱應(yīng)用?相對而言,VC 和石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高,厚度薄,是散熱材料的更優(yōu)選擇?
2020 年 2 月份發(fā)布的小米 10 系列手機采用了 VC 均熱板+石墨烯+6 層石墨的“三明治”散熱系統(tǒng),大大提升了整機散熱能力;三星 Galaxy S20 Ultra采用 VC 均熱板+石墨+高導(dǎo)碳纖維墊片的散熱方案?2020 年 3 月發(fā)布的華為P40 pro 手機采用 VC 均熱板+3D 石墨烯的散熱方案;VIVO NEX 3s?OPPOFind X2 采用 VC 均熱板散熱技術(shù)?綜合來看,現(xiàn)階段傳統(tǒng)手機散熱方案難以單獨滿足5G 手機散熱要求,以 VC 均熱板為主?石墨及石墨烯等為輔的散熱組合或成為主流散熱方案?
近年來，隨著5G手機的普及，石墨烯散熱膜對人工石墨散熱膜的替代率已達(dá)到35%以上；早在2020年，宇航派蒙便組建了一支專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊，開始研發(fā)石墨烯散熱膜。通過不懈的努力，現(xiàn)已打通所有工藝環(huán)節(jié)，研制出導(dǎo)熱系數(shù)超過1000 W/mK的厚型石墨烯散熱膜。目前產(chǎn)品正在中試驗證中。如進(jìn)展順利，產(chǎn)品有望明年上半年推出市場。
