行业宝典 |《2021石墨烯散热市场研究报告》正式发布
石墨烯是由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的二维碳素材料，实验研究结果表明，单层石墨烯拥有高达5300W/(m·K)的导热系数，是碳纳米管导热系数的二倍，是目前固体材料中导热性最好的材料。
石墨烯在导热散热领域中，常被用作导热薄膜、导热高分子复合材料和散热涂层的填料。
（1）石墨烯的热导率极高，同时热辐射发射率也非常高（接近理论黑体辐射发射率 )，因此石墨烯应用在导热散热上的，兼具了热传导与热辐射的特性。随着石墨烯大规模制备技术的发展，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜热导率可达 ~2000·W∙/(m·K)。高导热石墨烯膜的热导率与工业应用的高质量石墨化聚酰亚胺膜相当，且具有更低成本和更好的厚度可控性；
（2）在热传导材料中，石墨烯作为导热填料，在基体中均匀分布，彼此相连而构建出导热的网络，热量沿导热网络传递，通过提高石墨烯在高分子基体中的分散性、构建三维石墨烯导热网络等方法，石墨烯填充的热界面复合材料热导率比聚合物产生数倍提高，并且填料比低于传统导热填料；
（3）在热辐射涂料中，石墨烯拥有较大的比表面积和高的发射率，能够快速将通过热传导方式传递过来的热量及时交换到环境中去。石墨烯无论作为自支撑导热膜，还是作为热界面材料的导热填料，都将在下一代电子元件散热应用中发挥重要价值。
石墨烯的热传导主要由声子贡献。和金刚石类似，石墨烯在平面方向由强化学键 C―C键构成，并且由于碳原子较轻，具有极高的声速，从而在平面方向具有和金刚石相当的热导率 (~2000W∙/(m·K))。
在多层石墨烯和石墨中，三声子散射与原子间力常数的关系不同于单层石墨烯，导致选择定则不再适用，ZA 声子的散射变大，热导率下降。据相关研究表明，当石墨烯的厚度从单原子变为双原子层时，ZA 声子贡献的热导率大幅下降，石墨烯整体热导率降低。随着原子层数目增加，热导率持续下降。对于原子层数在 5 层及以上的石墨烯，其热导率已十分接近石墨块体。而对于放置在基底上的支撑石墨烯和上下均有基底的夹层石墨烯 (Encased)，热导率随层数变化没有明显规律，这主要是因为 ZA 声子与基底相互作用，对热导率的贡献低于悬空石墨烯，而 ZA 声子与基底相互作用的强度随原子层数增加而变化，导致热导率随层数变化表现出不同规律 ( 不变或增大 )。
石墨烯热导率的横向尺寸依赖。Nika 等通过第一性原理计算分别对 LA和TA 声子求得Gruneisen参数，得到石墨烯平面方向声子平均自由程在 10μm左右，即石墨烯尺寸小于10μm时会表现出明显的热导率随尺寸增加而增加现象。后续计算表明，在考虑三声子过程和声子-边界散射角度的情况下，石墨烯热导率在横向尺寸L小于30μm时遵循log(L)增加的规律，在横向尺寸为30μm左右时达到最大值，并随横向尺寸增加而下降。在实际应用的单晶及多晶石墨烯材料中，热导率的影响因素还包括晶粒尺寸、缺陷、同位素、化学修饰等。
目前，实验上热学性质的测试主要分两种形式，即悬挂石墨烯和支撑石墨烯。前者石墨烯两端固定，其余部分处于自由状态；后者整个石墨烯片和基底接触。由于石墨烯的厚度为纳米尺度，商用的测量设备 ( 激光闪光法、平板热源法等 ) 无法准确测量其热导率，需要采用微纳尺度热测量方法。常见的微纳尺度传热测量技术包括光热拉曼法、微电阻测温法、光热反射技术和自加热法等几种。表 3-1 总结了部分不同方法测得的单层和少数层石墨烯热导率。
图 单层和少数层石墨烯的热导率的实验结果
石墨烯新材料的出现打破了目前散热膜市场现况，低维纳米碳材料石墨烯因其自身独特性，具有良好的高导热性，在高温条件下仍能保持设备性能稳定。石墨烯散热膜工作原理是以石墨烯热传导能力强的特性为基础，将内部热源点的热量迅速导向整个膜面然后散出。由于石墨烯二维结构自带的各向异性，其在水平方向导热非常快，可以将一个点的热量迅速扩散开，同时其垂直方向的传导速度相对较缓，使其匀速正常散热，避免手机外壳触感过烫。
石墨烯散热膜比天然石墨的导热性能好，在手机散热市场有较强的竞争性。同时，石墨烯散热膜很薄且具有柔韧性，这为电子产品的薄型化发展提供了可能......
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石墨烯散热市场研究报告
作为目前已知的最薄、最硬、导电导热性能最强的战略前沿材料，拥有“新材料之王”的石墨烯材料,被认为是开创超级计算机时代、改变世界的下一个万亿级产业。发展石墨烯产业，有望成为开启我国新一轮产业升级的关键之匙，推动我国科技革命发展。
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来源：石墨烯联盟
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