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（上海）國際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)。

自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，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，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)的成長空間越來越廣闊。
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)掌握在外國公司手中，中國市場(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，“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，而且工藝過程簡(jiǎn)潔高效，易于工業(yè)化。這為石墨烯的規(guī)模化量產(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)鍵問題。之前，人們通過分級(jí)篩選的方式制備超大片層的石墨烯，過程復(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，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、千倍膨脹以及無缺陷石墨烯的低成本制備技術(shù)。未來，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，團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯的研究是一個(gè)高度相關(guān)的過程?！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程和下游應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化過程有機(jī)地結(jié)合在一起。”

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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)在國內(nèi)外形成了一定的影響，可以說已經(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)重要問題?！北R紅斌表示，“在我看來，所謂基礎(chǔ)研究，就是要不斷做出更多的原創(chuàng)性成果，并通過成果轉(zhuǎn)化來推動(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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