哈工大《AFM》：一种新方法制备高效散热、电磁屏蔽双功能材料

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2022-09-07 09:34:51 0

5G通信时代，智能手机等现代先进多功能电子设备正朝着小型化、高集成化、高频化的方向发展。微处理器和射频芯片等主要电子元件在运行过程中不可避免地会在有限的空间内产生大量的热量，并受到严重的电磁干扰(EMI)影响。过热和不可避免的电磁波(EMW)会导致周围元件之间的干扰，危及器件的可靠性和寿命，并对人类健康造成严重影响。目前的商业应用通常采用由人造石墨片的导热层和金属箔的EMI屏蔽层组成的多层设计来散热，将EMI效应降至最低。遗憾的是，这些复杂的多层结构很难满足高效、超薄、轻便和廉价的要求。因此，开发同时具有高导热系数和优异电磁屏蔽性能的双功能材料具有重要意义。下一代便携式电子设备的快速发展迫切需要具有高效散热和优异电磁干扰屏蔽性能的双功能材料。

来自哈尔滨工业大学的学者通过一种新颖的葡萄糖水凝胶可控碳化方法制备了具有高导热系数和良好电磁屏蔽性能的各向异性取向碳膜。纳米石墨的水平排列导致定向结构具有极高的面内导热系数439.9 W m^?¹ K^?¹，在智能手机上显示出比商业石墨同行更有效的散热能力。此外，由于取向结构产生的多次内反射，薄膜在X波段的超薄厚度为480 nm时的电磁干扰屏蔽效率(SE)为21.72dB，绝对屏蔽效率(SSE/t)为275883 dB cm² g^?¹，远远超过大多数已报道的合成材料。此外，该薄膜还具有柔韧性、高机械强度和稳定性，因此具有良好的应用前景。这项研究为制备双功能材料提供了一种简便而可行的策略，以更经济、更环保的方式解决先进电子设备的散热和电磁干扰问题。相关文章以“Anisotropically Oriented Carbon Films with Dual-Function of Efficient Heat Dissipation and Excellent Electromagnetic Interference Shielding Performances”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202202057

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图1.GCFs制备示意图。a)GCFs的四步制备工艺。b）凝胶化和预碳酸化过程中的反应过程。首先，丙烯酰胺在高浓度葡萄糖溶液中发生交联，形成葡萄糖-PAM水凝胶。然后，在预碳化过程中，葡萄糖分子之间发生焦糖作用。

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图2.GCFs的形态特征。a)GCF-1000金属表面的光学图像。b)GCF-1000的光学显微镜图像；c)GCF-1000边缘区域的扫描电子显微镜图像。d)GCF-1000表面形貌的扫描电子显微镜图像。e)GCF1000的原子力显微镜图像，厚度为≈650 nm.

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图3.GCFs的热分析和结构表征。a）TG曲线，b）DTG曲线和c）TG-MS曲线，在氩气气氛下在10℃ min^-1下加热至1200℃。d)200℃热处理的葡萄糖粉末和葡萄糖-PAM水凝胶的FTIR图谱。e)GCFs的XPS图谱。F)GCFs和去卷曲峰的N 1S XPS谱。G)GCFs的GIXRD图谱。

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图 4.GCF的定向结构。a)三种不同颜色的框架代表不同的位置。插图显示了 GCF-1400 的 SAED 模式。b） GCF-1400的顶部、c）中央和 d）底部位置 HRTEM 图像;插图显示测量的 d₀₀₂。e–h） 2D GIWAXS 模式。每幅图像右上角的数字是计算出的赫尔曼方向因子f。

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图 5.各向异性导热和散热演示。a）TDTR信号和最佳匹配曲线到GCF-1400的理论传导模型。b）与温度相关的TDTR信号和GCF-1000理论传导模型的最佳匹配曲线。c） GCF的亲缘平面;插图显示了GCF的k的各向异性值。e）GCF-1400与不同晶体和石墨烯基材料的各向异性值的比较。f）不同加热或冷却时间的热红外图像，用于点状热源的散热。g）智能手机在不同工作条件下的热红外图像。

图6.GCFs的电磁干扰屏蔽性能和机械性能。a)GCF@PET复合薄膜的制备示意图。b)弯曲GCF-1400@PET的光学图像。c)GCF-1400纳米带的扫描电子显微镜原位弯曲试验。d)基于使用定量纳米压头驱动的PTP微器件的GCF-1400(40 nm厚)的原位扫描电子显微镜微拉伸测试装置。e)40 nm GCF1400试件在恒位移速率为2 nm s^?¹的单轴拉伸载荷下的应力-应变曲线。f)整个X频段(8.2-12.4 GHz)GCF的EMI设置曲线图。

本文开发了一种简单易行的葡萄糖水凝胶可控碳化方法来合成各向异性取向的碳膜，实现了高效散热和良好的电磁屏蔽双重功能。高浓度葡萄糖溶液和PAM网络之间的协同作用导致了致密的碳结构。葡萄糖-PAM水凝胶薄膜在热处理过程中的不对称收缩导致纳米石墨的水平取向，形成定向结构。GCFs的取向结构提高了面内导热系数，并使截面方向上的导热路径最小化。这导致了439.9 W m^?¹ K^?¹的高k_in-plane平面和0.49 W m?1 K?1的极低k_cross-plane，达到了898的创纪录的热导率各向异性值。与商用石墨相比，GCF在高功率点状热源和高度集成的智能手机中也显示出优越的散热效率。此外，这些薄膜具有良好的柔韧性、高机械强度，以及在反复弯曲和恶劣环境(强酸/碱和盐)下的出色稳定性。这项工作为制备经济有效的散热和电磁屏蔽双功能材料提供了一种创新的策略，在精密电子、可穿戴设备和航空航天方面具有潜在的应用前景。

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