復(fù)旦大學(xué)盧紅斌教授課題組研發(fā)出高質(zhì)量石墨烯散熱膜

復(fù)旦大學(xué)盧紅斌教授課題組研發(fā)出高質(zhì)量石墨烯散熱膜

近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系盧紅斌教授課題組的項(xiàng)目“高質(zhì)量石墨烯散熱膜的制備及應(yīng)用”亮相第七屆中國(guó)（上海）國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)。

自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，作為迄今為止厚度最薄、強(qiáng)度最高的材料，石墨烯就引起了全球科研工作者的廣泛關(guān)注。十多年來(lái)，盧紅斌團(tuán)隊(duì)在石墨烯及其復(fù)合材料創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面取得了系列突破性進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)提出的水相剝離快速高效制備高質(zhì)量石墨烯技術(shù)解決了石墨烯的成本高、工藝繁瑣、儲(chǔ)存運(yùn)輸困難等關(guān)鍵問(wèn)題，提出的超大片層氧化石墨烯、層數(shù)可控高質(zhì)量石墨烯、超潔凈石墨烯以及石墨烯自發(fā)剝離等各種復(fù)合材料制備新技術(shù)解決了石墨烯規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用中的核心問(wèn)題。此次亮相上交會(huì)的石墨散熱膜就是盧紅斌團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的一種可望取代現(xiàn)有高成本、高能耗產(chǎn)品的石墨烯新材料。
制備高質(zhì)量石墨烯散熱膜，有望提升便攜式電子設(shè)備熱管理效能
石墨烯在散熱膜產(chǎn)品中有著很好的應(yīng)用前景。石墨散熱膜是一種厚度可控、綜合性能優(yōu)異的導(dǎo)熱薄膜材料，可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、通訊基站等各類設(shè)備的熱量管理。隨著5G通訊設(shè)備、LED設(shè)備的不斷發(fā)展，散熱膜市場(chǎng)的成長(zhǎng)空間越來(lái)越廣闊。
聚酰亞胺熱解人造石墨膜是目前市場(chǎng)上廣泛采用的散熱膜產(chǎn)品。其原料聚酰亞胺膜（PI膜）的制備關(guān)鍵技術(shù)掌握在外國(guó)公司手中，中國(guó)市場(chǎng)下中游競(jìng)爭(zhēng)激烈。由于原材料核心技術(shù)缺失，產(chǎn)品售價(jià)不斷走低，企業(yè)盈利空間持續(xù)受到擠壓。
盧紅斌團(tuán)隊(duì)此次研發(fā)出的石墨烯散熱膜以天然鱗片石墨為原料，成本低廉，材料厚度在2-20微米范圍內(nèi)可控，熱導(dǎo)率高，柔韌性好，可連續(xù)彎折20000次以上性能無(wú)衰減。將制備出的散熱膜貼到電熱片上，溫度可下降40℃。石墨烯散熱膜成本低、性價(jià)比高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)潔高效，可望全面替代人造石墨膜，也將為可穿戴設(shè)備、柔性顯示、高功率武器裝備提供新的散熱解決方案。
盧紅斌介紹說(shuō)，“高質(zhì)量石墨烯散熱膜的制備從天然石墨出發(fā)，不僅環(huán)境污染小，還具有突出的性價(jià)比，或?qū)㈩嵏铂F(xiàn)有技術(shù)?！边@一核心科技的突破，有望拉動(dòng)下游諸多產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)完全的國(guó)產(chǎn)化。
不斷突破石墨烯制備核心技術(shù)
早在2008年，盧紅斌團(tuán)隊(duì)就注意到了石墨烯的迷人特性?！笆┚哂泻芎玫膶?dǎo)電導(dǎo)熱性，而提高高分子材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性始終找不到一個(gè)令人滿意的解決途徑?！睂烧呓Y(jié)合在一起、利用石墨烯對(duì)高分子材料進(jìn)行改性并賦予其更多的功能性，成為盧紅斌團(tuán)隊(duì)積十年之功探索石墨烯領(lǐng)域的初衷。他坦言，“只有掌握好源頭技術(shù)，才能有效推動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展?！?br>很快，盧紅斌團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中做好了高分子材料和石墨烯結(jié)合的技術(shù)準(zhǔn)備。這一基本技術(shù)問(wèn)題得以解決后，2010年團(tuán)隊(duì)開始探索石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性，但他們發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯的性質(zhì)極大地受其結(jié)構(gòu)、尺寸、孔洞和缺陷數(shù)量等多種因素的影響，當(dāng)時(shí)在市場(chǎng)上獲得滿足生產(chǎn)要求的石墨烯是十分困難的。
考慮到未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)的需要，如能用水做溶劑實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)將是十分有利的。但石墨和石墨烯都是疏水物質(zhì)，由于大的比表面積，石墨烯會(huì)漂浮水面上，而石墨則會(huì)沉入水底。要讓疏水的石墨在水中剝離成為石墨烯談何容易。
經(jīng)歷了三年左右的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)提出了一種可將幾百萬(wàn)層石墨烯堆疊在一起的天然石墨剝離成為單層、高質(zhì)量石墨烯的獨(dú)特技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了石墨烯的高效剝離，而且工藝過(guò)程簡(jiǎn)潔高效，易于工業(yè)化。這為石墨烯的規(guī)?；慨a(chǎn)和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的突破以后，盧紅斌又面臨著要解決有關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，這也促使他考慮如何將石墨烯研究向下游延伸。
水相剝離技術(shù)使得較小片層的石墨烯的量產(chǎn)成為可能，但如何控制石墨烯的分子量、制備不同尺寸的石墨烯片層仍是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。之前，人們通過(guò)分級(jí)篩選的方式制備超大片層的石墨烯，過(guò)程復(fù)雜，難以規(guī)?；慨a(chǎn)，制備的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)不均勻，距離可量產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。盧紅斌團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑、采用一套全新路線將原料石墨中的石墨烯片層最大程度地保留下來(lái)，這就是他們最早提出的超大尺寸的氧化石墨烯制備技術(shù)。
盧紅斌團(tuán)隊(duì)還提出了室溫插層、千倍膨脹以及無(wú)缺陷石墨烯的低成本制備技術(shù)。未來(lái)，室溫化學(xué)膨脹制備的石墨烯三維結(jié)構(gòu)體將成為復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、環(huán)境治理等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)原料。團(tuán)隊(duì)改變了傳統(tǒng)的高溫膨脹制備石墨烯的方法，采用了常溫常壓下的化學(xué)膨脹法，將石墨膨脹成為比表面積巨大的石墨烯三維結(jié)構(gòu)體，后者相比傳統(tǒng)高溫膨脹石墨擁有更為優(yōu)良的孔洞結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電導(dǎo)熱和晶格完整性，在環(huán)保、儲(chǔ)能和復(fù)合材料等領(lǐng)域前景極為廣闊。尤其是，團(tuán)隊(duì)提出的石墨在高分子材料中自發(fā)剝離成為石墨烯，并實(shí)現(xiàn)均勻分散和晶格結(jié)構(gòu)保留的獨(dú)特技術(shù)，可望為實(shí)現(xiàn)高分子與石墨烯的功能性復(fù)合和大規(guī)模生產(chǎn)提供理想的工業(yè)化途徑。
在盧紅斌看來(lái)，團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯的研究是一個(gè)高度相關(guān)的過(guò)程?！皬氖┑姆肿映叽缈刂疲绞┓肿拥娜S結(jié)構(gòu)，再到石墨烯自發(fā)剝離與復(fù)合的應(yīng)用突破，這是一個(gè)高度相關(guān)的整體，我們最終要使石墨烯的制備過(guò)程和下游應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程有機(jī)地結(jié)合在一起?！?br>
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“石墨烯是一個(gè)可以講大故事的領(lǐng)域”
盧紅斌清醒地認(rèn)識(shí)到，盡管中國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)走在了世界的前面，但要讓人們切實(shí)感受到石墨烯的巨大優(yōu)勢(shì)仍有漫長(zhǎng)的道路要走?！笆┚哂蟹浅：玫膽?yīng)用潛力，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，我們已經(jīng)完成了前瞻性研究積累，包括接近產(chǎn)業(yè)化的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)突破已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外形成了一定的影響，可以說(shuō)已經(jīng)具備了推動(dòng)石墨烯產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)?！北R紅斌表示，“石墨烯產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，持續(xù)不斷的努力終將會(huì)使石墨烯的潛力在各個(gè)領(lǐng)域得到釋放，并形成不可替代的應(yīng)用產(chǎn)品?！?br>事實(shí)上，有部分石墨烯已經(jīng)在部分領(lǐng)域得到應(yīng)用。水相剝離得到的石墨烯可以大幅提升鋰離子電池的充電速度，這或?qū)榻鉀Q電動(dòng)汽車的“里程焦慮”提供一個(gè)新的解決方案。此外，石墨烯還可以作為高分子材料的功能性添加劑投入實(shí)際應(yīng)用，不僅能夠賦予材料優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)，也可以改變其加工性能。盧紅斌以石墨烯作為流變改性劑的應(yīng)用為例，“石墨烯是一個(gè)各向異性比極大的二維物質(zhì)，可顯著改變流體的流動(dòng)行為，這對(duì)于包括涂料、潤(rùn)滑油、塑料薄壁部件和薄膜加工都是十分重要的。”此外，盧紅斌同樣看好石墨烯作為傳感器的應(yīng)用前景。他指出，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以利用石墨烯的優(yōu)異性能監(jiān)測(cè)新生兒、重病患者的多項(xiàng)生理指標(biāo)和身體狀態(tài)。
目前，盧紅斌團(tuán)隊(duì)提出的石墨烯水相剝離技術(shù)、石墨烯三維結(jié)構(gòu)體量產(chǎn)制備等技術(shù)均已獲得了專利。團(tuán)隊(duì)提出的在石墨烯表面可控修飾高分子鏈的新方法，已被國(guó)內(nèi)外同行廣泛引用，多個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)向他們拋出橄欖枝，希望讓有關(guān)項(xiàng)目盡快落地。
“石墨烯是一個(gè)可以講大故事的領(lǐng)域，如何彰顯上海的優(yōu)勢(shì)、復(fù)旦的優(yōu)勢(shì)，也是我現(xiàn)階段所思考的一個(gè)重要問(wèn)題。”盧紅斌表示，“在我看來(lái)，所謂基礎(chǔ)研究，就是要不斷做出更多的原創(chuàng)性成果，并通過(guò)成果轉(zhuǎn)化來(lái)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化一定是我們努力的方向?！?/p>

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