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專題報告

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新型散熱材料——石墨烯高導熱材料

1. 石墨烯高導熱薄膜概述


導熱材料廣泛應用于各個領域之中,特別是電子設備領域。常規的導熱材料主要包括金屬(如金、銀、銅、鋁和鎂等)、金屬氧化物(如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅和氧化鎳等)、金屬氮化物(如氮化鋁)、非金屬材料(如石墨、炭黑、氮化硼、氮化硅和碳化硅等)。導熱材料主要用于解決電子設備的熱管理問題。熱管理分為主動管理和被動管理,在設備和裝置中需要對這兩種熱管理類型做出恰當選擇以獲得最佳能效。主動熱管理通常與風扇、液體冷卻器和熱電冷卻器等外部設備直接相關, 通過這些外部設備增強系統中的導熱。


新型散熱材料——石墨烯高導熱材料

在當今熱門的導熱材料之中,石墨烯可謂其中的佼佼者,它是由SP2雜化碳原子組成的新型二維材料。自石墨烯通過機械剝離被發現以來,研究者對它的關注度有增無 減。由于石墨烯具有極高的比表面積和獨特的六元碳環 共軛大π鍵結構,在理論厚度僅為0.34nm的情況下,其具有5300W·m-1·K-1的超高TC6000S·cm-1的超高電導率和1.0TPa的理論楊氏模量。石墨烯的形態各異,可根據實際需求進行形態定制。此外,石墨烯具有載流子遷移率高、力學性能強、物理和化學穩定性好等 優異性能,是一種優良的復合填料。


自 2004 年,英國的曼徹斯特大學的Geim 和 Novoselov首次用透明膠帶機械剝離獲得了單層的二維石墨烯,關于石墨烯物理化學性能的研究報道便層出不窮,其優異的導電和導熱性更是獲得越來越多的關注。目前石墨烯基導熱材料的制備方法主要包括化學氣相沉積(CVD)、真空抽濾、涂覆等。


新型散熱材料——石墨烯高導熱材料


2. 石墨烯高導熱材料應用

 

石墨烯導熱膜指以石墨烯為主體材料的新型散熱材料,其微觀結構是由單層石墨烯堆疊而成的高定向導熱膜,又稱石墨烯散熱膜。主要應用于中高端智能手機、平板電腦等消費電子產品,小規模應用于筆記本電腦、智能可穿戴設備、ICT設備、航空航天、醫療器械等領域,并逐步向半導體封裝、新能源汽車等熱管理領域拓展。


新型散熱材料——石墨烯高導熱材料


石墨烯導熱膜應用領域



自2018年首次被華為應用于Mate20X手機后,石墨烯散熱膜逐漸被包括榮耀、努比亞、小米、OnePlus、OPPO、ROG、聯想等眾多手機廠商接受并使用,特別是在旗艦機和游戲機上,也拓展應用到平板電腦等電子產品,已經成為主流熱管理方案之一。

新型散熱材料——石墨烯高導熱材料


3. 石墨烯導熱材料企業分布


石墨烯導熱材料領域主要企業(排名不分先后):

Panasonic:松下成立于1918年,總部位于日本,世界500強企業,全球性電子產品廠商,人工合成石墨材料領導者,應用領域包括移動通信、新能源、汽車和醫療等。

GrafTech:Graftech創立于1886年,總部位于美國,世界知名的石墨電極生產商,在石墨材料領域處于世界領先地位,主要產品為石墨電極等。

Kaneka:成立于1949年,總部位于日本,日本大型化工產品上市公司,主要產品包括化學產品、功能性樹脂、發泡樹脂制品、食品、生命科學、電子材料、合成纖維等。

中石科技:中石科技成立于1997年4月,已于2017年12月27日在深交所創業板上市。中石科技主要從事電子設備功能性材料及元件的研發、設計、生產、銷售與技術服務,產品涵蓋熱管理材料、人工合成石墨材料、電磁屏蔽及IP密封材料、EMI濾波器、信號濾波器等,廣泛應用于智能終端、通訊設備、新能源汽車、電子電力、機械制造、軌道交通等領域。

蘇州天脈:蘇州天脈成立于2007年,主營業務為導熱散熱材料及元器件的研發、生產及銷售,主要產品包括熱管、均溫板、導熱界面材料、人工石墨膜等,產品廣泛應用于智能手機、筆記本電腦等消費電子以及安防監控設備、汽車電子、通信設備等領域。

思泉新材:思泉新材成立于2011年6月,主要從事熱管理材料、磁性材料、納米防護材料的研發、生產和銷售,主要產品為人工合成石墨散熱膜、人工合成石墨散熱片等熱管理材料,主要應用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦、智能穿戴設備等消費電子應用領域。

深圳壘石:深圳壘石成立于2012年11月,主要從事電子產品散熱材料的研發生產和銷售,主要產品包括人工石墨散熱膜、熱管、均溫板等,產品廣泛應用于智能手機、筆記本電腦、智能家居、智能手表等消費電子產品。

碳元科技:碳元科技成立于2010年8月,已于2017年3月20日在上交所上市。碳元科技主要從事高導熱人工石墨膜、超薄熱管和超薄均熱板等散熱材料的研發、生產和銷售,主要應用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦等消費電子產品。

安徽碳華:成立于2018年10月,主營類石墨烯膜類產品,包含人工石墨高導膜、高絕緣導熱膜等絕緣導熱產品,核心技術成果來源于企業自主研發的工藝技術,以及全封閉高溫處理、自動化壓延工藝和設備。


4.石墨烯導熱材料未來發展
 

實驗測試表明,石墨烯導熱膜可以耐受10萬余次的彎曲,而不影響其導熱導電性能,而且,在反復折疊6000次后仍沒有斷裂。此前性能最好的GPI最多只能反復折疊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。

新型散熱材料——石墨烯高導熱材料

從我國對石墨烯的政策扶持來看,鋰電池、防腐涂料、柔性電子等是國家重點規劃的方向。根據《中國制造2025重點領域技術路線圖》,到2025年,電動汽車鋰電池用石墨烯基電極材料規模將達到萬噸級,海洋工程用石墨烯基防腐涂料將達到十萬噸級規模,柔性電子用石墨烯薄膜規模將達到上億平方米。國家政策的重點扶持使我們相信,未來這三個領域將會得到更優先發展的機會,是石墨烯產業化道路上最值得關注的細分領域之一。

石墨烯是近年來最熱的新材料之一,石墨烯制成的薄膜也因其具有良好的透明性、導電性以及柔性等特點,在電子、光子及光電設備領域的應用范圍十分廣泛,極具發展前景。

隨著科學技術的不斷發展,各種電子元器件日趨輕型化,微型化,高性能化,在運行的過程中不可避免的會產生和累積大量的熱量,如果熱量不能被及時導出,過高的溫度會降低芯片的工作穩定性,增加出錯率,尤其是電子模塊與外界環境之間的過大的溫度差會形成熱應力,直接影響到電子芯片的電性能、工作頻率、機械強度以及可靠性。所以,必須依靠性能優異的散熱材料將器件所生成的熱量快速的散發出去。傳統的散熱材料主要依靠于金屬,例如銀、銅、鋁等,但是金屬材料的一些固有性質,例如密度大、耐腐蝕性差等已經嚴重的制約了其在散熱材料方面的應用。

由于石墨烯具備良好的導熱性能、快速散熱性能,因此隨著5G手機高端化發展,石墨烯導熱膜+均熱板將成為智能手機的主要散熱方式。

同時,石墨烯導熱膜的厚度不受原材料限制,與傳統人工石墨相比,熱通量得到了較大的提升,而且使用石墨烯制備導熱膜還可以擺脫對進口聚酰亞胺膜材(PI膜)的依賴,消除國際貿易對導熱膜產品的影響。

業界的投資動向及產業資訊均表明,石墨烯散熱膜在產品性能及規模化生產上正取得突破。石墨烯散熱膜有望在滲透率上趕超傳統人工石墨或PI燒結石墨膜。



此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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