在5G通信時(shí)代，智能手機(jī)等現(xiàn)代先進(jìn)多功能電子設(shè)備正朝著小型化、集成化、高頻化方向發(fā)展。主要的電子元件，如微處理器和射頻芯片，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，并在有限的空間內(nèi)受到嚴(yán)重的電磁干擾影響。目前，商業(yè)上通常采用多層設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行散熱和減少電磁干擾影響，如由人造石墨片構(gòu)成的導(dǎo)熱層和由金屬箔構(gòu)成的電磁屏蔽層組成。但是，這些復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)很難滿足高效、超薄、輕量化和廉價(jià)的實(shí)際應(yīng)用要求。因此，開(kāi)發(fā)兼具高導(dǎo)熱性和優(yōu)良電磁屏蔽性能的雙功能材料具有重要意義。高度取向的石墨薄膜具有極高的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率，表明其具有良好的散熱和電磁屏蔽雙重功能。但這些薄膜生產(chǎn)成本高，并且制造過(guò)程中的排放物對(duì)于環(huán)境和人類都是有害的。因此，急需尋找環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)的替代方法。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張幸紅教授、韓文波教授課題組通過(guò)一種新型的葡萄糖水凝膠可控碳化方法制備了具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異電磁屏蔽性能的各向異性取向碳膜（GCFs）。納米晶石墨的水平取向?qū)е缕?strong>面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)439.9W m-1?k-1，在智能手機(jī)上表現(xiàn)出比商用石墨更有效的散熱能力。此外，由于取向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的多重內(nèi)部反射，480nm超薄的薄膜在X波段表現(xiàn)出21.72dB的電磁屏蔽效能和275883dB cm2?g-1的超高絕對(duì)屏蔽效能（SSE/t），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)報(bào)道的合成材料。此外，薄膜的柔韌性、高力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其具有很好的應(yīng)用前景。該研究為制備雙功能材料提供了一種簡(jiǎn)單可行的策略，以更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方式解決先進(jìn)電子器件的熱輻射和電磁干擾問(wèn)題。相關(guān)工作以“AnisotropicallyOriented Carbon Films with Dual-Function of Efficient Heat Dissipation andExcellent Electromagnetic Interference Shielding Performances”為題發(fā)表在《Advanced?Functional Materials》上。

制備及反應(yīng)過(guò)程

采用四步工藝制備GCFs。首先，在高濃度葡萄糖溶液中加入丙烯酰胺和雙丙烯酰胺，形成適宜粘度的葡萄糖前驅(qū)體。然后，將葡萄糖前驅(qū)體旋涂在硅片上，發(fā)生自由基誘導(dǎo)的凝膠作用，形成葡萄糖-PAM水凝膠膜。對(duì)硅片進(jìn)行氧等離子體處理以提高其親水性，增強(qiáng)葡萄糖前體與硅片的粘附。在此過(guò)程中，三維PAM網(wǎng)絡(luò)和葡萄糖溶液形成膠囊結(jié)構(gòu)，其壁和內(nèi)部分別為PAM網(wǎng)絡(luò)和葡萄糖溶液。PAM分子鏈與附近的葡萄糖分子之間存在氫鍵作用。對(duì)葡萄糖-PAM水凝膠膜進(jìn)行預(yù)碳化，無(wú)色透明的水凝膠膜由于焦糖化而變成棕色。最后，將預(yù)碳化膜在800-1400℃的高溫下進(jìn)行熱處理，即得到葡萄糖衍生碳膜。

圖1?GCFs的制備示意圖

形貌和結(jié)構(gòu)

GCF有光澤的金屬表面，未見(jiàn)缺陷，顏色對(duì)比均勻，說(shuō)明該GCF具有較高的表面質(zhì)量。GCF-1000的厚度為650nm，粗糙度參數(shù)Rq和Ra分別為1.90和1.50?，顯示出其異常光滑的表面狀態(tài)。隨著熱處理溫度的升高，GCFs的厚度逐漸減小，微觀形貌由團(tuán)聚的顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠虻钠瑢?/strong>。根據(jù)熱重分析可知，葡萄糖-PAM水凝膠的失重滯后和高殘?zhí)悸识寂cPAM的參與有關(guān)?；诟邼舛绕咸烟侨芤汉蚉AM網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同作用，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的殘?zhí)悸屎透旅艿奶冀Y(jié)構(gòu)。定向結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，在于PAM的引入和葡萄糖-PAM水凝膠膜的不對(duì)稱收縮。

圖2?GCFs的形貌表征

圖3?GCFs的熱分析和結(jié)構(gòu)表征

圖4?GCFs的定向結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)熱和散熱GCF-1400的實(shí)測(cè)面內(nèi)和面外導(dǎo)熱系數(shù)分別為439.90和0.49W m-1?k-1。GCF-1400具有令人滿意的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)各向異性值為898，遠(yuǎn)大于高取向熱解石墨、晶體材料和石墨烯基材料，顯示出了在電子設(shè)備中有效散熱的巨大潛力。此外，所有樣品都呈現(xiàn)出一個(gè)小的面外導(dǎo)熱系數(shù)，隨著熱處理溫度的升高，面外導(dǎo)熱系數(shù)僅略有增長(zhǎng)。面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)隨著熱處理溫度的升高而增加，從12.88 W m-1?k-1增加到439.9W m-1?k-1。隨著熱處理溫度的升高，GCFs中的納米晶石墨沿水平方向高度排列。這有利于構(gòu)建聲子沿面內(nèi)方向的超快導(dǎo)熱路徑，使聲子散射最小化，使熱流從熱點(diǎn)在水平方向快速擴(kuò)散到邊緣。相比之下，納米晶石墨的高度平面排列導(dǎo)致面外方向上導(dǎo)熱途徑明顯減少，聲子傳輸?shù)臒嵬ǖ雷兟瑢?dǎo)熱系數(shù)更低。因此，GCFs具有顯著的各向異性熱導(dǎo)率。此外，GCF-1400可以表現(xiàn)出比商用石墨更好的散熱能力。因此，GCF-1400是一種高效的散熱材料，在大功率電子設(shè)備中具有很大的應(yīng)用潛力。

圖5?各向異性導(dǎo)熱和散熱演示電磁屏蔽性能GCF-1400具有8.5×104S m-1的高導(dǎo)電性，這歸因于其良好的定向結(jié)構(gòu)和較少的缺陷。隨著熱處理溫度的升高，GCFs在X波段和Ku波段的EMISE增加。GCF-1200的平均EMISE大于20dB，對(duì)于某些工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠高了。特別是GCF-1400在X波段表現(xiàn)出21.72dB的優(yōu)異EMI SE，這表明它可以阻擋99.33%的電磁波。GCF-1400在480nm的超薄厚度下，在X波段的SSE/t達(dá)到275883dB cm2?g-1，顯著優(yōu)于大多數(shù)先前報(bào)道的MXene、金屬和碳基材料。此外，由于其超薄的厚度，GCF-1400表現(xiàn)出相對(duì)較高的SE/t值，為449689dB cm-1。GCFs的電磁屏蔽機(jī)制如下：初始電磁波撞擊GCFs表面，由于大量電子的存在，一些電磁波很快被反射出來(lái)，而其余的電磁波通過(guò)石墨晶格后能量下降。然后，殘余的電磁波遇到下一個(gè)石墨晶格，并重復(fù)衰減，即電磁波在內(nèi)部納米晶石墨層之間經(jīng)歷多次反射，因此發(fā)生了顯著的能量衰減。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了高的EMI SE。此外，GCF-1400還具有良好的柔韌性，高力學(xué)強(qiáng)度，以及在反復(fù)彎曲和惡劣環(huán)境下的良好穩(wěn)定性，適合于實(shí)際應(yīng)用。

圖6 GCFs的電磁屏蔽和力學(xué)性能小結(jié)總之，該研究開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便可行的葡萄糖水凝膠可控碳化方法來(lái)合成各向異性取向碳膜，實(shí)現(xiàn)了高效散熱和優(yōu)良電磁屏蔽的雙重功能。GCFs具有高面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為439.9 W m-1?k-1和極低的面外導(dǎo)熱系數(shù)為0.49W m-1?k-1，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性值為898。此外，由于定向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的多重內(nèi)部反射，480 nm厚的GCF-1400在X波段表現(xiàn)出21.72dB的EMI SE，其SSE/t高達(dá)275883dB cm2?g-1，顯著優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的合成材料。此外，這些薄膜還表現(xiàn)出良好的柔韌性、力學(xué)性能和穩(wěn)定性。該研究為制造經(jīng)濟(jì)有效的散熱和電磁屏蔽雙功能材料提供了一種創(chuàng)新策略，在精密電子、可穿戴式設(shè)備和航空航天等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

本文來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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