二维/三维高热导石墨烯的可控制备及其散热应用

Heat removal has become a crucial issue for continuing progress in the electronic industry owing to increased levels of dissipated power. The thermal conductivity of graphene exceeds that of diamond, which is the best heat conductor. In this project, high-quality edge-functional graphene sheets with good dispersity were prepared for graphene/ceramic composites. The chemically-bonded interface of the graphene/ceramic composites is important for heat dissipation. The other novel architecture of 3D graphene direct growth on 3D porous ceramics is proposed for thermal management using plasma enhanced chemical vapor deposition. The 3D graphene/ceramic composites provides enormous conductive pathways for electronic and heat transfer, suitable for heat sinks. Effects of the structure and thermal performance of the graphene matrix on the composite will be studied.The new structure of heat sink based on three dimensional graphene network to meet the goal of thermal management of electronics.

高效散热是保障电子器件高性能安全运行的关键。传统金属及陶瓷已无法满足高效导热要求，而石墨烯的热导率位列已知材料的首位，其低密度、耐腐蚀和高柔韧性可满足器件小型化的高效散热需求。高热导石墨烯的可控制备是实现高效散热应用的关键。在本项目中，将聚焦低缺陷石墨烯的可控制备和高导热结构的构建，拓展散热应用，主要开展的研究包括：1）发展非结构破坏的石墨烯剥离的新方法，研究低缺陷石墨烯的层数和尺寸的控制因素，优化石墨烯膜的定向组装，获得高导热性能的石墨烯二维散热膜；2）发展石墨烯/陶瓷复合的新技术，优选表面自由能与碳相近的陶瓷，利用金属的远程催化效应，实现在陶瓷上直接生长石墨烯；3）设计构建不同孔道结构的陶瓷衬底，制备特定热传导功能的三维石墨烯，探索基于三维石墨烯的热导机制和散热应用；4）进行石墨烯在电子元器件的热管理演示，考察界面微区热传递现象，优化服役过程的散热行为，建立此种非均质材料热导率方程。

电子元件的集成化和小型化导致传统的金属及陶瓷散热材料无法满足狭小有限空间内的散热要求。石墨烯作为单原子层二维材料，具有最高的热导率（5000 W/mK）、孔隙率可调、热膨胀系数低、耐腐蚀和相容性好等优点，是理想的散热材料。本项目围绕课题任务目标，开展了石墨烯基材料的设计制备与性能调控研究，已完成项目任务书中的技术指标，取得如下创新结果：.（1）发展了多种高性能石墨烯基碳材料的规模化制备技术，发明了年产吨级、低成本制备高质量少层石墨烯的干法剥离技术，所得少层石墨烯膜的导电率达600 S/cm、热导率1020 W/mK，实现在散热、动力锂电池、水性重防腐等领域的应用。.（2）基于石墨烯制备新方法，发现了氮掺杂有序介孔少层碳材料，用于电化学电容器其比电容达850 F/g，突破了碳材料的双电层理论储能极限（550 F/g），揭示了电化学过程中“单质子耦合单电子”的协同电化学反应机制，研究结果发表于《Science》，被《Nature Energy》等多个高影响力期刊专文亮点评论。.（3）发展了在h-BN等衬底上直接生长三维石墨烯的方法，大幅提升陶瓷衬底的热导率近5倍，分析了石墨烯在复合材料的导热中的作用机制；.（4）发表项目标注的论文10篇，获得授权发明专利5项、申请专利1项。培养博士研究生2名，硕士研究生1名。. . 在本项目的支持下，项目负责人共发表SCI论文70余篇，他引3200余次，H因子30；以第一或通讯作者在Science(第一作者)、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊发表27篇，其中11篇影响因子＞10、6篇入选ESI高被引论文。受邀在国际会议上做邀请报告4次。获国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖等荣誉；入选上海市启明星计划、上海市青年拔尖人才计划等人才计划。主持国家自然科学基金（面上、青年），国防创新特区项目等10余项课题。