Progrès de la recherche sur les matériaux conducteurs thermiques de graphène
1. État de la recherche sur le film thermique de graphène
Le graphène est une structure en anneau à six membres contenant du carbone avec une structure hybride sp2, et diverses propriétés physiques et chimiques sont très stables. Comparé aux matériaux métalliques traditionnels tels que le cuivre et l’aluminium, le graphène a une conductivité thermique dans le plan plus élevée. En raison de sa structure spéciale, le graphène a une densité plus faible, une bonne stabilité thermique, une conductivité électrique ultra-élevée, une excellente transmission de la lumière et de meilleures propriétés mécaniques. Le graphène est un choix idéal en tant que composant additif de matériaux thermoconducteurs. Dans le même temps, le film de graphène peut être utilisé comme dissipateur de chaleur dans les composants électroniques, fixé à la surface des composants électroniques faciles à générer de la chaleur et dispersant uniformément la chaleur générée par la source de chaleur. Parmi eux, la conductivité thermique la plus élevée et le meilleur effet de dissipation thermique est le film conducteur thermique en graphite artificiel obtenu à partir du film de polyimide par processus de graphitisation. La conductivité thermique dans la direction du plan peut atteindre 700 ~ 1950W ∙m-1 ∙ K-1, et l’épaisseur est de 10 ~ 100 μm, avec une bonne conductivité thermique.
Wang Wen et al. ont ajouté des nanofeuilles de graphène au polypropylène, ce qui peut augmenter sa conductivité thermique jusqu’à 14 fois. Chen et al. ont composé du graphène et de la nanocellulose par filtration sous vide, ce qui a grandement amélioré la conductivité thermique et les propriétés mécaniques du film composite nanofibre de graphène / cellulose. Song et al. ont combiné le graphène et la nanocellulose dans un film hybride cellulose/oxyde de graphène réduit par auto-assemblage couche par couche, montrant une structure en couches très ordonnée. Cependant, la combinaison de la matrice et du graphène consomme beaucoup d’énergie et ne peut pas atteindre une production à grande échelle.
Dans ce contexte, l’étude des films de graphène à haute conductivité thermique a deux significations importantes. La première est qu’en raison du coût élevé des films de graphite artificiel et de la difficulté de préparer des films de polyimide de haute qualité, l’industrie espère que les films de graphène à conductivité thermique élevée pourront être utilisés comme plan alternatif. Deuxièmement, en raison de la demande croissante de dissipation thermique dans les produits électroniques, les nouvelles solutions de dissipation thermique nécessitent non seulement une conductivité thermique élevée du film thermoconducteur, mais également une certaine épaisseur du film thermoconducteur pour augmenter le flux de conduction thermique dans la direction plane. Dans le film de graphite artificiel, en raison du degré d’orientation moléculaire du polyimide, le film thermoconducteur de polyimide graphitisé n’a une conductivité thermique plus élevée que lorsque l’épaisseur est faible. Le film thermique de graphène est facile à transformer en un film thermique épais (~100 μm), ce qui a de bonnes perspectives d’application dans le système de gestion thermique des nouveaux appareils électroniques.
2.Recherche technique sur l’épaisseur du film de graphène
La préparation d’un film conducteur thermique de graphène plus épais est actuellement un sujet de recherche brûlant. Théoriquement parlant, pour augmenter l’épaisseur du film de graphène, seul un film d’oxyde de graphène plus épais peut être appliqué. Cependant, il existe les problèmes suivants en fonctionnement réel: (1) La qualité du film épais formé par le revêtement du couteau n’est pas élevée. En raison de la faible concentration de la dispersion de l’oxyde de graphène (moins de 10%), le reste de l’oxyde de graphène est de l’eau, qui nécessite beaucoup de temps pour s’évaporer. Les flocons d’oxyde de graphène interagissent avec les molécules d’eau par le biais de liaisons hydrogène, et les molécules d’eau s’échappent lorsqu’elles s’évaporent, de sorte que les flocons d’oxyde de graphène forment des liaisons réticulées à travers des liaisons hydrogène, formant un film semblable à une « peau de lait » à la surface. Ce film mince ralentit l’évaporation de l’eau à l’intérieur de la dispersion d’oxyde de graphène et provoque une orientation incohérente de la feuille d’oxyde de graphène, ce qui réduit la qualité du film.
(2) Il est difficile d’obtenir un film épais par une méthode en une seule étape. En raison de la faible concentration de la dispersion d’oxyde de graphène, il est impossible de préparer un film d’oxyde de graphène d’une épaisseur d’environ 100 μm à la fois, quelles que soient les méthodes telles que le revêtement au couteau, le revêtement de spin ou la pulvérisation. Luo et al. ont constaté que le film d’oxyde de graphène peut encore être lié les uns aux autres dans le contexte d’une infiltration d’eau désionisée après avoir été évaporé à sec. Ce phénomène se produit parce que les couches d’oxyde de graphène sont reliées les unes aux autres par des liaisons hydrogène sous l’action de l’eau. Pour que le film d’oxyde de graphène puisse être collé comme du papier. Zhang et al. ont utilisé une méthode similaire pour gonfler le film d’oxyde de graphène préparé dans l’eau et le coller couche par couche. Après séchage, pressage à chaud, graphitisation et pressage à froid, un film de graphène ultra-épais d’une épaisseur de 200 μm a été obtenu. Il est de 1224 W∙m-1∙K-1, et l’effet de dissipation de la chaleur mesuré par la caméra infrarouge est meilleur que celui du film thermique de cuivre, d’aluminium et de graphène à couche mince. À l’heure actuelle, il existe relativement peu d’études sur la préparation de films de graphène à haute conductivité thermique de 100 microns d’épaisseur. En plus du gonflement et de la liaison, le chevauchement des films d’oxyde de graphène peut également être réalisé par des méthodes telles que le chauffage électrique et la liaison ionique métallique. Le film de graphène avec une épaisseur de micron et une conductivité thermique élevée fournit de nouvelles idées.
3. Perspectives
Avec le développement de la technologie de préparation du graphène à grande échelle, la conductivité thermique du film de graphène hautement conducteur thermiquement préparé sur la base de la méthode de l’oxyde de graphène peut atteindre 2000W∙m-1∙K-1. La conductivité thermique du film de graphène à haute conductivité thermique est équivalente à celle du film de polyimide graphitisé de haute qualité pour les applications industrielles, et elle a un coût inférieur et une meilleure contrôlabilité de l’épaisseur. Dans le même temps, le graphène, en tant que charge thermoconductrice bidimensionnelle, est facile à construire un réseau thermiquement conducteur tridimensionnel dans une matrice polymère et a de bonnes perspectives d’application dans les matériaux d’interface thermique. En améliorant la dispersion du graphène dans la matrice polymère et en construisant un réseau tridimensionnel de conductivité thermique du graphène, la conductivité thermique des composites d’interface thermique remplis de graphène est plusieurs fois supérieure à celle des polymères, et le rapport de remplissage est inférieur à celui des charges conductrices thermiques traditionnelles. Le graphène, qu’il soit utilisé comme film thermoconducteur autoportant ou comme charge thermoconductrice pour les matériaux d’interface thermique, jouera un rôle important dans la prochaine génération d’applications de dissipation thermique des composants électroniques.
