浙大製造出新型石墨烯膜材料:柔性好,導熱強 解決世界難題

2020-12-01 觀察者網

通過巧妙設計，浙江大學高分子系高超教授團隊研發出一種新型石墨烯組裝膜：它是目前導熱率最高的宏觀材料，同時具有超柔性，能被反覆摺疊6000次，承受彎曲十萬次。這一進展解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的世界性難題，有望廣泛應用於高效熱管理、新一代柔性電子器件及航空航天等領域。

高超教授

浙江大學高分子系納米高分子課題組，由國家傑出青年基金獲得者高超教授領銜，目前課題組共有教授1名、助理1名、博士後3名、博士生11名、碩士生5名、企業聯合培養博士後1名。建有石墨烯、新能源材料、高分子化學3個實驗室及1個「浙江大學-碳谷上希」聯合研究中心。

與浙大三位一體的中國碳谷科技集團和碳谷上希材料科技

團隊長期致力於單層氧化石墨烯的規模化製備及其宏觀組裝研究，發現了氧化石墨烯的液晶性，發明了石墨烯纖維、石墨烯無紡布、石墨烯連續組裝薄膜及最輕材料石墨烯氣凝膠四種純石墨烯宏觀材料(簡稱F4)，開發了低成本高質量單層氧化石墨烯、多功能石墨烯複合纖維、石墨烯高效電熱布、石墨烯超級電容器、石墨烯-鋁離子電池、石墨烯納濾膜等六大核心技術，這些成果產業化前景廣闊，部分已實現生產和中試。

高超，1973年1月出生，土家族，浙江大學求是特聘教授、博士生導師、高分子科學研究所所長。

1995年在湖南大學獲得學士學位、1998年獲碩士學位，2001年獲上海交通大學博士學位。博士畢業後留上海交大任教，於2003年到2006年先後在英國Sussex大學和德國Bayreuth大學做訪問學者和博士後研究。2008年被引進浙江大學，被評為教授、博士生導師。

圍繞石墨烯化學、液晶及宏觀組裝開展研究，在Nature Communications (3篇),   Advanced Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Progress in Polymer Science, Materials Today等世界旗艦級科學期刊發表通訊作者和第一作者論文110餘篇，文章共被他引5700多次，H因子39。

共同主編Wiley出版的英文專著1本《Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications》，為英文專著撰寫6章，獲中國發明專利授權23項。

擔任國際期刊Colloid and Polymer Science地區主編。

曾入選或獲得科技部「中青年科技創新領軍人才計劃」（2014）、國家傑出青年基金（2013）、浙江省「錢江人才計劃」（2010）、上海市「浦江人才計劃」（2007）、教育部「新世紀優秀人才計劃」（2005）、第九屆「霍英東基金」（2004）、上海市「青年科技啟明星」（2003）等人才計劃，獲得浙江省青年科技獎（2013)、1項國家自然科學二等獎（排名第3）、1項上海市科學技術一等獎（排名第3）及全國優秀博士學位論文等獎勵。

主要成果：(1)發現了氧化石墨烯液晶及二維膠粒的手性液晶相，提出並實現了連續石墨烯纖維；

(2)實現了高性能石墨烯纖維超級電容器和石墨烯基納濾膜；

(3)採用非模板協同組裝策略製備了超輕彈性氣凝膠；

(4)發明了綠色、超快、安全的鐵基法，可大量製備單層氧化石墨烯，突破了自1958年以來的高汙染、易爆炸、長時間的傳統製備方法。

鐵基法1小時內就可製備單層石墨烯。有望實現大規模工業應用

現在，成果裡面又要加上這一心形的石墨烯組裝膜。這一研究成果被Nature, Nature News, Scientific American等亮點評論，認為「實現了石墨烯在現實器件應用的關鍵一步」、「開闢了碳纖維製備的新途徑」，被美、法、澳、中國等多個課題組跟進研究。

2017年4月，材料科學的世界旗艦級期刊《Advanced  Materials》編輯部邀請浙江大學高新材料相關各研究組撰稿，以校慶專輯形式展示浙江大學在材料化學領域的研究成果，獻禮浙江大學120周年校慶。

石墨烯纖維結入選Nature 2011 年度圖片，為2005年以來唯一入選的中國科技成果。超輕氣凝膠被Nature 兩次高度評論。

獲最輕固態材料金氏世界紀錄認證，授予世界創新論壇「金袋鼠」創新獎，入選兩院院士評選2013年中國十大科技進展新聞。

用最新高導熱超柔性石墨烯膜摺疊的千紙鶴

此次最新高導熱超柔性石墨烯膜研發成果的相關論文Ultrahigh Thermal Conductive yet Superflexible Graphene Films近日發表於《先進材料》Advanced Materials雜誌，論文第一作者為博士生彭蠡


彭蠡，高分子科學與工程學系博士，曾以科學論文《快速規模化綠色製備氧化石墨烯》獲得「啟真杯」浙江大學2016年度學生十大學術新成果獎項

近日，浙大新聞辦，錢江晚報等媒體記者採訪了浙江大學高分子系高超教授團隊。面對記者，高超教授介紹，電子電器工作時會發熱，需要高效熱管理來保證其正常運行。新一代器件還要求可彎折性。因此，研究高導熱高柔性材料至關重要。但現有宏觀材料的高導熱和高柔性是一對魚和熊掌難以兼得的矛盾。

石墨烯的出現為解決這一矛盾提供了理論上的可能。它是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面單層二維大分子。原子質量輕、簡單而又強力的鍵接結構賦予了它超高的導熱性；同時，單原子層厚度又使得其具有較好的柔性。遺憾的是，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，其組裝而成的宏觀材料導熱率和柔性都欠佳，還比不上商業化的聚醯亞胺石墨化膜(GPI)。比如，我們手機裡的散熱膜，就是用GPI製成的。

發現石墨烯的諾獎得主安德烈·海姆，浙大名譽教授，石墨烯的發現就值一個諾貝爾獎，新型石墨烯組裝膜未來上到航空航天，下到智慧型手機都可應用，其價值就更是大的不可估量了

在高超教授的辦公室，記者見到了一片20釐米邊長的石墨烯組裝膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介紹，這10微米厚的「海苔」，是由數千層單片石墨烯交疊而成的。實驗測試表明，石墨烯膜可以耐受10萬餘次的彎曲，而不影響其導熱導電性能，而且，在反覆摺疊6000次後仍沒有斷裂。此前性能最好的GPI最多只能反覆摺疊3次。同時這種石墨烯膜的導熱率最高達到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想單層石墨烯導熱率的40%，創造了宏觀材料導熱率的新紀錄。

圖1. a) 市售智慧型手機背面；b) 手機處於待機狀態；c) 用聚醯亞胺石墨化膜(GPI)作為手機散熱膜；d) 同一部手機用新型石墨烯膜作為散熱膜；e, f) 在(b), (c), (d) 三種狀態下，手機的水平和垂直溫度線的比較，表明石墨烯膜具有更好的散熱降溫效果。

柔軟而高導熱的性能，賦予我們無限的想像空間，比如，可摺疊的手機、筆記本電腦，甚至衛星和太空飛行器。課題組將這種石墨烯膜替代商用GPI膜，應用於手機散熱膜上，發現手機CPU處的溫度可以控制在33℃以下，相對商用GPI膜降低了6℃。如果把這層膜用到人造衛星上，就能很好地解決衛星的「向光背光」溫差大的問題。

彭蠡說，電子元器件的散熱是器件開發一項很重要的課題。它們「怕熱」，是因為這些功率器件都有穩定工作的溫度區間。隨著溫度的升高，器件工作的穩定性會下降，噪音升高，並且壽命降低。一般來說，溫度提高8—10度，器件壽命會下降一半。據統計，電子產品失效的原因中，溫度佔比達到50%以上。

科學家是如何讓石墨烯膜由「脆」變「柔」，併兼顧了良好的導熱性能呢？高超說，團隊提出了一種「大片微褶皺」的設計思路，在製備石墨烯膜的過程中引入了許多微小的褶皺，讓石墨烯膜成為一種「能屈能伸」的材料。就像女孩們的百褶裙，裙擺可以展開很大。如此細小的褶皺怎麼製造？高超團隊想出了一種新穎的方法：將石墨烯膜高溫加熱，膜中的含氧官能團在高溫下分解釋放出氣體，使石墨烯膜內部形成微氣囊；再經過機械輥壓成膜，微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺。「就這麼簡單」，高超說。

圖2. 石墨烯微褶皺的引入過程：高溫加熱還原形成微氣囊，機械輥壓形成微褶皺


論文截圖，褶皺在摺疊過程中極大增強了膜承受彎曲的能力

Advanced Science News評論認為，這項成果使得很多大面積多功能的二維材料能夠應用到現實世界的柔性器件中，從航空航天到智慧型手機，不一而足。

Advanced Science News認為，這樣的設計理念和實驗策略能夠拓展至其他二維納米材料中。

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