柔性石墨
關注創建者：王小熊 創建時間：2019-10-22
柔性石墨的實例教程
近年來，具有高導熱系數的柔性TIM引起了研究者的廣泛關注，以解決柔性電子器件中的過度散熱和改善熱管理問題。
石墨烯(Gr)是一種最有前途的二維(2D)納米材料，具有極高的導熱系數(5300 W/（mK）)，優異的柔韌性。然而，由于Gr的分散性差和Gr片間熱阻高，Gr膜的導熱系數明顯低于單層Gr。因此，在考慮降低熱阻的同時，應努力改善Gr片材在懸浮液中的分散，促進其在膜中的取向。
為了獲得高導熱的柔性Gr薄膜，提高Gr的分散性至關重要。芳綸納米纖維(ANFs)、明膠、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)被用作Gr分散體的分散劑，PVP中親水性(-CONH)和疏水性(-CH)基團的存在加速了Gr的分散，導致真空過濾后形成致密的高導熱石墨烯薄膜。然而，PVP的導熱系數低得多，這將略微降低石墨烯薄膜的導熱系數。因此如何通過PVP提高Gr的分散性而不惡化導熱性的材料制備技術是非常重要的。
02
成果掠影
近期，中國科學院大學李江濤團隊通過真空輔助過濾策略提出了高導熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅動下，由于氫鍵(h -鍵)的作用，石墨烯片層呈層狀堆疊。高度層合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表現出81.2 W/（mK）的高面內導熱系數和5.1 W/（mK）的垂直平面導熱系數。在實際應用中，GPVP-F作為柔性TIM使用時，使發光二極管(LED)芯片溫度降低4.3°C(從46.1°C降至41.8°C)，對于室溫器件(< 50°C)的冷卻效果處于先進水平。此外，GPVP-F即使在100°C下仍具有優異的導熱性(68.1 W/（mK）)，并且經過10次加熱冷卻循環后仍具有出色的穩定性。更重要的是，出色的靈活性確保了GPVP-F能夠應用于不規則形狀的設備。
展開 （3）四氟－石墨填料：通過加入部分玻璃纖維、石墨、二硫化鉬，以提高聚四氟乙烯抗蠕變和導熱性能，但硬度變大，耐腐蝕能力下降，密封性能下降。
2、柔性石墨
柔性石墨材料屬于非纖維質材料，它是把天然鱗片石墨中的雜質除去。再經強氧化混合酸處理后成為氧化石墨。氧化石墨受熱分解放出二氧化碳，體積急劇膨脹，變成了質地疏松、柔軟而又有韌性的柔性石墨。是一種壽命長、密封性能好的材料。
2.1 特點
（1）有優異的耐熱性和耐寒性。柔性石墨從-250℃度的超低溫到+600℃度高溫，其物理性質幾乎沒有什么變化；
（2）有優異的耐化學腐蝕性。柔性石墨除在硝酸、濃硫酸等強氧化性介質中有腐蝕外，在其他酸、堿和溶劑中幾乎沒有腐蝕；
（3）有良好的自潤滑性。柔性石墨同天然石墨一樣，當受外力作用，容易產生滑動，因而具有自潤滑性，密封性能好；
（4）因其多孔因其多孔疏松而又卷曲，故其回彈性柔韌性好。當軸或軸套因制造、安裝等存在偏心而出現徑向圓跳動時，具有足夠的浮動性能，即使石墨出現裂紋，也能很好密合，從而保證帖合緊密，防止泄漏。
2.2 石墨填料種類
（1）絲狀或編織狀：這種填料彈性好更能包住閥桿并凈化閥桿表面。編織狀石墨填料可克服其他類型石墨填料由于磨損而造成的泄漏，但編織狀石墨填料由于絲狀結構導致空隙，從而易滲透。
（2）片狀石墨：用若干片石墨板壓制而成的填料環，其紋理和閥桿表面相垂直，形成方形斷面，因此流體不易滲透，但它也減少了軸向壓力與徑向壓力的比值，需用更大的壓緊力才能密封。
（3）彎片狀石墨：其紋理與閥桿軸向平行，用若干個石墨片加工而成。彎片狀石墨在壓制時的壓力比它工作時的壓力高得多，因此它在填料函中不會再收縮。高溫時由其原理可知容易滲透。但由于加工容易，價格低廉，目前被廣泛采用。
展開 （3）四氟－石墨填料：通過加入部分玻璃纖維、石墨、二硫化鉬，以提高聚四氟乙烯抗蠕變和導熱性能，但硬度變大，耐腐蝕能力下降，密封性能下降。
2、柔性石墨
柔性石墨材料屬于非纖維質材料，它是把天然鱗片石墨中的雜質除去。再經強氧化混合酸處理后成為氧化石墨。氧化石墨受熱分解放出二氧化碳，體積急劇膨脹，變成了質地疏松、柔軟而又有韌性的柔性石墨。是一種壽命長、密封性能好的材料。
2.1 特點
（1）有優異的耐熱性和耐寒性。柔性石墨從-250℃度的超低溫到+600℃度高溫，其物理性質幾乎沒有什么變化；
（2）有優異的耐化學腐蝕性。柔性石墨除在硝酸、濃硫酸等強氧化性介質中有腐蝕外，在其他酸、堿和溶劑中幾乎沒有腐蝕；
（3）有良好的自潤滑性。柔性石墨同天然石墨一樣，當受外力作用，容易產生滑動，因而具有自潤滑性，密封性能好；
（4）因其多孔因其多孔疏松而又卷曲，故其回彈性柔韌性好。當軸或軸套因制造、安裝等存在偏心而出現徑向圓跳動時，具有足夠的浮動性能，即使石墨出現裂紋，也能很好密合，從而保證帖合緊密，防止泄漏。
2.2 石墨填料種類
（1）絲狀或編織狀：這種填料彈性好更能包住閥桿并凈化閥桿表面。編織狀石墨填料可克服其他類型石墨填料由于磨損而造成的泄漏，但編織狀石墨填料由于絲狀結構導致空隙，從而易滲透。
（2）片狀石墨：用若干片石墨板壓制而成的填料環，其紋理和閥桿表面相垂直，形成方形斷面，因此流體不易滲透，但它也減少了軸向壓力與徑向壓力的比值，需用更大的壓緊力才能密封。
（3）彎片狀石墨：其紋理與閥桿軸向平行，用若干個石墨片加工而成。彎片狀石墨在壓制時的壓力比它工作時的壓力高得多，因此它在填料函中不會再收縮。高溫時由其原理可知容易滲透。但由于加工容易，價格低廉，目前被廣泛采用。
展開 （3）四氟－石墨填料：通過加入部分玻璃纖維、石墨、二硫化鉬，以提高聚四氟乙烯抗蠕變和導熱性能，但硬度變大，耐腐蝕能力下降，密封性能下降。
2.2 柔性石墨
柔性石墨材料屬于非纖維質材料，它是把天然鱗片石墨中的雜質除去。再經強氧化混合酸處理后成為氧化石墨。氧化石墨受熱分解放出二氧化碳，體積急劇膨脹，變成了質地疏松、柔軟而又有韌性的柔性石墨。是一種壽命長、密封性能好的材料。
2.2.1 特點
（1）有優異的耐熱性和耐寒性。柔性石墨從-250℃度的超低溫到+600℃度高溫，其物理性質幾乎沒有什么變化；
（2）有優異的耐化學腐蝕性。柔性石墨除在硝酸、濃硫酸等強氧化性介質中有腐蝕外，在其他酸、堿和溶劑中幾乎沒有腐蝕；
（3）有良好的自潤滑性。柔性石墨同天然石墨一樣，當受外力作用，容易產生滑動，因而具有自潤滑性，密封性能好；
（4）因其多孔因其多孔疏松而又卷曲，故其回彈性柔韌性好。當軸或軸套因制造、安裝等存在偏心而出現徑向圓跳動時，具有足夠的浮動性能，即使石墨出現裂紋，也能很好密合，從而保證帖合緊密，防止泄漏。
2.2.2 石墨填料種類
（1）絲狀或編織狀：這種填料彈性好更能包住閥桿并凈化閥桿表面。編織狀石墨填料可克服其他類型石墨填料由于磨損而造成的泄漏，但編織狀石墨填料由于絲狀結構導致空隙，從而易滲透。
（2）片狀石墨：用若干片石墨板壓制而成的填料環，其紋理和閥桿表面相垂直，形成方形斷面，因此流體不易滲透，但它也減少了軸向壓力與徑向壓力的比值，需用更大的壓緊力才能密封。
（3）彎片狀石墨：其紋理與閥桿軸向平行，用若干個石墨片加工而成。彎片狀石墨在壓制時的壓力比它工作時的壓力高得多，因此它在填料函中不會再收縮。高溫時由其原理可知容易滲透。但由于加工容易，價格低廉，目前被廣泛采用。
展開 （3）四氟－石墨填料：通過加入部分玻璃纖維、石墨、二硫化鉬，以提高聚四氟乙烯抗蠕變和導熱性能，但硬度變大，耐腐蝕能力下降，密封性能下降。
2、柔性石墨
柔性石墨材料屬于非纖維質材料，它是把天然鱗片石墨中的雜質除去。再經強氧化混合酸處理后成為氧化石墨。氧化石墨受熱分解放出二氧化碳，體積急劇膨脹，變成了質地疏松、柔軟而又有韌性的柔性石墨。是一種壽命長、密封性能好的材料。
2.1 特點
（1）有優異的耐熱性和耐寒性。柔性石墨從-250℃度的超低溫到+600℃度高溫，其物理性質幾乎沒有什么變化；
（2）有優異的耐化學腐蝕性。柔性石墨除在硝酸、濃硫酸等強氧化性介質中有腐蝕外，在其他酸、堿和溶劑中幾乎沒有腐蝕；
（3）有良好的自潤滑性。柔性石墨同天然石墨一樣，當受外力作用，容易產生滑動，因而具有自潤滑性，密封性能好；
（4）因其多孔因其多孔疏松而又卷曲，故其回彈性柔韌性好。當軸或軸套因制造、安裝等存在偏心而出現徑向圓跳動時，具有足夠的浮動性能，即使石墨出現裂紋，也能很好密合，從而保證帖合緊密，防止泄漏。
2.2 石墨填料種類
（1）絲狀或編織狀：這種填料彈性好更能包住閥桿并凈化閥桿表面。編織狀石墨填料可克服其他類型石墨填料由于磨損而造成的泄漏，但編織狀石墨填料由于絲狀結構導致空隙，從而易滲透。
（2）片狀石墨：用若干片石墨板壓制而成的填料環，其紋理和閥桿表面相垂直，形成方形斷面，因此流體不易滲透，但它也減少了軸向壓力與徑向壓力的比值，需用更大的壓緊力才能密封。
（3）彎片狀石墨：其紋理與閥桿軸向平行，用若干個石墨片加工而成。彎片狀石墨在壓制時的壓力比它工作時的壓力高得多，因此它在填料函中不會再收縮。高溫時由其原理可知容易滲透。但由于加工容易，價格低廉，目前被廣泛采用。
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柔性石墨的最新內容
密封材料：摒棄傳統橡膠，采用金屬對金屬密封、柔性石墨或PTFE復合結構，確保在-20℃至+250℃甚至更高溫度下仍具備優異密封性。
閥桿與填料：采用17-4PH沉淀硬化不銹鋼或XM-19合金，并配以高溫石墨填料，有效防止熱膨脹導致的卡滯與泄漏。
在汽車、輪船、人造衛星等軍用領域，所有需要輕質、高強和導熱支撐體的零件都可以用到石墨烯纖維；在民用領域，依托于良好的導電性能，機械強度和柔性，石墨烯纖維可以做為輕質導線在極寬的溫度范圍內工作；另外，石墨烯纖維可以制備成柔性織物穿戴在人體表面，作為纖維狀電池或者電容器的電極實現儲能器件的可穿戴。
制備的復合膜具有高熱導率(146 W/mK)、高拉伸強度(207 MPa)和高熱穩定性的優點，使其能夠作為熱管理材料有效冷卻柔性電子設備。石墨烯基導熱復合材料可作為高效熱管理材料用于冷卻高功率電子器件。然而，將柔性石墨烯納米片組裝成宏觀導熱復合材料時，在基于溶液的自發干燥過程中，毛細管力誘導石墨烯納米片向內收縮形成褶皺，從而大大降低了復合材料的熱導率。
該文提出結合三維多孔石墨烯薄膜和MXene納米片的優點，通過真空輔助過濾的方法，將MXene納米片與三維多孔石墨烯薄膜襯底集成，制備出具有獨特結構特征、優異柔韌性和優異電磁干擾屏蔽能力的柔性石墨烯/MXene (G/M)復合薄膜。本研究中提出的石墨烯/石墨烯復合薄膜直接使用3D互連多孔石墨烯薄膜和MXene水性分散體作為起始材料進行組裝，無需進一步的熱處理。
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總結
該團隊采用水塑性泡沫(HPF)和界面強化方法制備了碳基石墨烯泡沫材料(GFR)作為柔性TIM。氧化石墨烯(GO)的浸漬增強了GFR內部的界面鍵合，使其具有優異的結構完整性。它可以在60%的壓縮應變下保持10,000次循環后的機械穩定性，并能夠維持高達500°C的高溫，這在以前的報道中從未實現過。
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成果掠影
近期，中國科學院大學李江濤團隊通過真空輔助過濾策略提出了高導熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅動下，由于氫鍵(h -鍵)的作用，石墨烯片層呈層狀堆疊。高度層合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表現出81.2 W/（mK）的高面內導熱系數和5.1 W/（mK）的垂直平面導熱系數。
高溫平板閘閥閘板為光滑平板,運行于鑲嵌在閥體上的兩個環狀柔性石墨壓制的閥座之間,無論是全關還是全開,閥座始終與閘板緊密貼合,以保證密封副不受介質的沖刷。由于采用了軟密封形式,閘板與閥座不需要研磨,且不受高溫變形的影響。執行機構與閥桿用對開套相連,必要時也可以手動操作。
來源 | Nano-Micro Letters 原文 | https://doi.org/10.1007/s40820-023-01032-6 01 背景介紹 石墨烯納米膜是石墨烯的體相形態之一，其繼承了單層石墨烯的原子結構和電子、聲子行為特征，同時具有寬的作用截面、長的載流子弛豫時間，是良好的熱學、電學以及光電研究平臺。目前，石墨烯納米膜的可控制備尚未實現。本文以氧化石墨烯(GO，杭州高稀科技)/
2.滲透泄漏
非金屬墊片通常由植物纖維、動物纖維、礦物纖維或化學纖維與橡膠黏結壓制而成，或由柔性石墨等多孔材料制作而成。由于其組織疏松，致密性差，纖維與纖維之間存在無數微小間隙，因此很容易被介質浸透，特別是在壓力作用下，介質會通過材料內部的孔隙滲透出來。這種發生在墊片材料內部的泄漏稱為“滲透泄漏”。
