摘要：航空航天领域大功率电子器件的快速发展对其集成化和小型化提出了更高的要求，这不可避免地会在运行过程中产生局部高热流密度。因此在极端服务环境中存在热管理灾难性结构失效的风险。所以开发新型热管理材料对于探索下一代航空航天热控制技术至关重要，以满足轻量化、高导热性和特
航空航天领域大功率电子器件的快速发展对其集成化和小型化提出了更高的要求，这不可避免地会在运行过程中产生局部高热流密度。因此在极端服务环境中存在热管理灾难性结构失效的风险。所以开发新型热管理材料对于探索下一代航空航天热控制技术至关重要，以满足轻量化、高导热性和特殊结构稳定性的苛刻要求，特别是在极端应用条件下。
大面积石墨烯薄膜(GF)继承了原始二维石墨烯片的优异导热性，是一种有前途的碳基热管理材料，可通过叶片涂布、过滤、湿纺、离心铸造等多种自下而上的宏观装配方法获得。然而，提供强大的热管理性能以应对极端环境下的高热通量水平仍然是一项挑战，部分原因在于期望的导热率和保持更厚的薄膜厚度之间的权衡。此外，更重要的是考虑GF的结构稳定性，以确保其在各种实际应用中具有长期可靠的性能。
到目前为止，通过氧化石墨烯(GO)自下而上组装的传统GF的厚度通常小于50 μm，导致实际散热能力不理想。此外，制备具有优异传热能力的百微米石墨烯厚膜(GTF)受到在典型层状材料中创建无孔和稳定界面结构所需的组装技术的限制。因此，制造厚度超过100微米、具有双向高导热性和极端环境耐受性的GTF仍然是一个巨大的挑战。
近日，浙江大学高超、许震和刘英军团队提出了一种无缝键合组装策略，采用轻质高导热的石墨烯薄膜和三元金属纳米层作为组装单元，通过界面组成和结构设计，获得了极端条件下双向高导热且结构超稳定的石墨烯基厚膜，为开发下一代极端环境热管理材料提供了新的思路。
该工作采用无缝键合组装策略（SBA），通过设计金属纳米层的成分和石墨烯/金属界面的微观结构，有效消除了GTF的内部孔隙，构建了无缝牢固的界面，实现了GTF的双向高导热性和在极端条件下的结构超稳定性。通过可靠的无缝键合组装策略，有效改善了石墨烯厚膜的界面结构，获得了结构超稳定且双向高导热的石墨烯厚膜。当厚度为250 μm时，其面内和面外热导率分别高达925.75 W/(mK)和7.03 W/(mK)。此外，在77 K至573 K的数百次高/低温冲击后，该石墨烯厚膜的结构和导热性能也表现出显著的稳定性，确保了其在极端热管理应用中的环境适应性。
相关研究成果以“Bidirectionally High-Thermally Conductive and Environmentally Adaptive Graphene Thick Films Enabled by Seamless Bonding Assembly for Extreme Thermal Management”为题发表于《Advanced Functional Materials》。
图1.（a）GTF-TAA和GTF-SBA的制备工艺示意图。（b）具有不同界面孔隙结构的GTF-TAA和GTF-SBA的界面示意图。（c）GTF-TAA和GTF-SBA的界面SEM图像。（d）GTF-TAA和GTF-SBA的界面孔隙率。（e）大尺寸GTF-SBA块材的光学图像。（f）形状和厚度可控的GTF-SBA的光学图像。（g）GTF-SBA和GTF-TAA的界面密实度和整体导热性能。GTF的厚度约为100微米。
图2.（a）GF和MGF的表面粗糙度。（b）GTF-SBA的断面SEM图像及相应的C、O、Ag、Cu、Ti元素映射图。（c）搭接剪切测试的示意图。（d）不含Ti和含Ti的MGF的剪切应力-应变曲线及拉伸应力-应变曲线。插图是剪切破坏后MGF的光学图像。（e）MGF的剥离测试示意图。（f）用3M透明胶带剥离后的MGF的光学图像和SEM图像。（g）石墨烯/石墨烯、石墨烯/Cu和石墨烯/TiCu界面的差分电荷密度分布的DFT计算。（h）三种界面结构的黏附功。黄色电子云表示电荷的积累，蓝色表示消耗。
图3. 组装层数不同的GTF-TAA和GTF-SBA的（a）面内热导率，（b）面外热导率，（c）热通量。（d）GTF-TAA和GTF-SBA在液氮冲击（77 K）不同次数后面内热导率的变化。（e）200次液氮冲击前后GTF-TAA和GTF-SBA的截面形貌。（f）Cu、热解石墨和GTF-SBA（50层）在低温区的面内热导率。（g）GTF-TAA和GTF-SBA的热重曲线，插图显示了不同温度下的表面形貌。（h）200次热冲击后GTF-TAA和GTF-SBA的截面形貌。（i）不同热冲击次数后GTF-TAA和GTF-SBA的面内热导率变化。
图4.（a）GTF-SBA原子无缝连接界面示意图。（b-c）GTF-SBA中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的TEM图像。（d）GTF-SBA中三元金属层的厚度。（e）GTF-SBA中无缝键合界面的元素分布。（f-h）GTF-SBA中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的AC-STEM图像以及GF的高结晶结构，插图是相应的选区电子衍射图样。白色虚线圈出了无缝键合界面。（i）磁控溅射过程中高能粒子破坏基材表层结构的说明。（j-k）通过几何相位分析得到图4f-g的白框中金属（Ag/Cu）界面和三元金属/石墨烯（Cu/Ti/石墨烯）界面的局部晶格应变分布。
图5.约1000微米厚的GTF-TAA和GTF-SBA在热源加热和散热时的（a）红外图像，（b）温度分布曲线，和（c）热输运模型。（d-e）GTF-SBA、GTF-TAA和报道的GTF的面内和面外导热系数的比较。（f）GTF与其他各向异性导热材料的面外热导率（x轴）、各向异性系数（y轴）、面内热导率（对角虚线）的比较。（g）GTF-SBA、GTF-TAA、聚合物、金属和陶瓷基热管理材料的比热导率的比较。
原文：https://doi.org/10.1002/adfm.202400110
来源：邓天晴
