石墨烯薄膜
關注創建者：匿名 創建時間：2023-05-22
石墨烯薄膜的視頻教程
027 – COMSOL石墨烯超表面THz吸收器（含演示，80元）
石墨烯的電導率一般用 Kubo 公式描述，在本文中，由于研究的波段是 THz，所以可以將石墨烯的電導率近似為 Drude 模型。 本案例演示了如何在comsol中創建二維材料，計算了頻率為 0.5 ~ 2.5 THz 的入射光下該超表面的吸收率和電場分布。 計算的內容和結果（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 1、三種結構的吸收率。
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石墨烯薄膜的實例教程
為了提高導熱膜的熱流密度，采用自熔合法制備了一種超厚氧化石墨烯薄膜，該薄膜厚度為亞毫米，其熱傳導率和導電性分別為1224 W/mk和6910 S/cm，在熱管理和電磁干擾屏蔽方面具有廣闊的應用前景。
如表1所示，大多數氧化石墨烯薄膜的平均k值僅為~1300 W/mk，遠低于體石墨的2000 W/mk。由于氧化石墨烯在氧化處理過程中存在固有的結構缺陷。這種非諧波晶格結構可能導致嚴重的聲子散射，從而影響所得氧化石墨烯薄膜的散熱性能。因此，為了恢復石墨烯片的結晶度以保證散熱，需要對氧化石墨烯薄膜進行高達2800℃以上的碳化和石墨化。
表1.用于熱管理的石墨烯基薄膜的最新制備技術。
1.3 石墨烯薄膜
通過機械剝離制備的石墨烯，如球磨、剪切力剝離、超聲波(即液相剝離)、超臨界流體法和新型分層工程剝離，在減少氧化處理引入的缺陷或雜原子方面具有很大的優勢。因此，與氧化石墨烯薄膜相比，石墨烯粉末組裝的石墨烯薄膜也表現出了很好的性能。在圖3(a-e)中，Teng等人通過球磨法制備了高濃度石墨烯漿料。對GF紙進行過濾達到1529 W/mk的高k值。采用木質素磺酸鈉輔助球磨工藝制備了石墨烯納米片，得到的石墨烯薄膜的k達到1324 W/mk。最近，Wu等人提出了一種可規模化生產的石墨烯層壓漿過濾工藝，石墨烯膜的k為975 W/mk。
圖3.(a)采用球磨法和真空過濾法制備石墨烯薄膜，(b, c)石墨烯薄膜的表面和截面形貌。
展開 石墨烯具有優異的力學和電學性能，其在航空航天以及柔性電子器件領域具有廣泛的應用前景，而制約其實際應用的一個關鍵科學問題在于：如何將微米尺度的石墨烯納米片組裝成高性能宏觀材料。目前，提升宏觀石墨烯薄膜性能的策略主要分為優化石墨烯納米片的品質和石墨烯納米片層之間的有效交聯。第一種策略包括使用大尺寸的氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）納米片，調控GO納米片的化學結構等。雖然這些方法在一定程度上可以提升宏觀石墨烯薄膜的性能，但仍遠低于單層石墨烯納米片。相比之下，第二種策略通過石墨烯片層之間的界面交聯作用，可以大幅提升宏觀石墨烯薄膜的性能。然而，界面交聯劑（如聚合物）的加入往往降低了宏觀石墨烯薄膜的電學性能。因此，高強高導電宏觀石墨烯復合薄膜的組裝仍然是該領域的研究難題。
圖1.有序交聯石墨烯薄膜的制備過程及結構示意圖。
近日，北京航空航天大學的程群峰教授提出仿生構筑界面交聯的策略，和美國德克薩斯大學達拉斯分校的Ray H. Baughman教授合作，通過室溫離子鍵和π共軛作用有序交聯如圖1所示，仿生構筑了高強高導電可折疊的宏觀石墨烯薄膜。該有序交聯石墨烯薄膜的拉伸強度和韌性分別達到821.2 MPa和20.2MJ/m3，為無交聯石墨烯薄膜的4和7.5倍（如圖2所示）。值得一提的是，該石墨烯薄膜的拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復合材料相媲美，并且韌性優于后者。此外，這種有序界面交聯策略也可以有效提升石墨烯納米片的規整取向，從而使石墨烯薄膜的導電性能大幅提升，導電率達到415.8 S/cm，是無交聯石墨烯薄膜的1.9倍。此外，這種石墨烯薄膜具有優異的電磁屏蔽性能，在0.3~12 GHz范圍電磁波段的屏蔽效能約為20 dB，優于無交聯石墨烯薄膜（~14.2 dB）。
展開 石墨烯具有大的比表面積、高的化學惰性以及優異的阻隔性，被認為是已知最薄的防護材料，采用化學氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯薄膜可直接用于金屬的腐蝕防護，逐漸成為制備石墨烯防護薄膜最主要的方法。但石墨烯薄膜在制備過程不可避免會引入空位、晶界等結構缺陷，將其長時間暴露在空氣中，腐蝕介質容易通過這些缺陷與基底金屬發生反應，且高導電的石墨烯薄膜將促進界面處的電化學反應進而加速基底金屬的腐蝕。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室研究員王立平團隊利用CVD技術在多晶銅襯底上成功制備了一系列的氮摻雜石墨烯薄膜，通過調節NH3的氣流量獲得不同氮濃度的氮摻雜石墨烯薄膜。相關結果已經發表在Journal of Materials Chemistry A（2018, 6, 24136-24148）上，并作為期刊的Inside back cover被亮點報道。
同時，研究發現氮摻入石墨烯晶格網絡中會造成薄膜體系的導電率相比于原始石墨烯下降，在大氣長效暴露試驗條件下，低導電的氮摻雜石墨烯薄膜可抑制電子在腐蝕界面的傳輸，降低銅和氮摻雜石墨烯界面處的電化學腐蝕速率，有效延緩腐蝕區域的擴散，表現出更佳的長效腐蝕防護性能（圖1），但該方法仍不能根除薄膜在生長過程中形成的結構缺陷，以及所造成的表面不均勻的腐蝕點。
圖1 氮摻雜石墨烯薄膜的長效腐蝕防護機理
另一方面，六方氮化硼（h-BN）納米片作為一種石墨烯類似物，也具有很好的抗滲透性。王立平團隊通過CVD法在多晶銅襯底上生長出不同層數的h-BN薄膜，由于h-BN自身的絕緣特性，無論是單層或是多層h-BN薄膜，將其包覆在銅襯底表面都表現出優異的大氣長效防護性能。
展開 本文簡要綜述了石墨烯基薄片及其復合材料的最新研究進展，總結并討論了石墨烯晶粒的橫向尺寸、缺陷，石墨烯基薄片的厚度和密度以及熱處理工藝等影響導熱性能的主要因素，最后，對目前制備高導熱石墨烯薄膜過程中存在的問題和發展趨勢進行了評述，以期為未來石墨烯基熱管理材料性能的提高提供指導。
01
石墨烯基導熱材料
自 2004 年，英國的曼徹斯特大學的Geim 和 Novoselov首次用透明膠帶機械剝離獲得了單層的二維石墨烯，關于石墨烯物理化學性能的研究報道便層出不窮，其優異的導電和導熱性更是獲得越來越多的關注。目前石墨烯基導熱材料的制備方法主要包括化學氣相沉積（CVD）、真空抽濾、涂覆等。本節將總結目前制備石墨烯基導熱材料的主要方法，并分析未來進一步提高性能的主要途徑。
1.1 少層石墨烯導熱薄膜
CVD 因具有可控、高質量生長石墨烯的優點而引起國內外關注，據報道石墨烯薄膜可在多個襯底上生長，如 Fe、Cu 和 Ni、Pt 等。例如美國萊斯大學的 Lou 和佐治亞理工學院 Zhu 等通過 CVD 方法制備了石墨烯，并對其進行了原位納米力學測試，發現斷裂應力大大低于石墨烯的固有強度。
得克薩斯大學奧斯汀分校的 Ruoff 教授等開發了一種 CVD 工藝，能夠在 300 mm 的大尺寸銅膜上生長單層石墨烯。
展開 2、石墨烯在耐高溫玻璃上的生長
2-1 常壓CVD方法
圖2 石墨烯在耐高溫玻璃上的直接APCVD生長
a）硼硅玻璃在石墨烯生長之前（最左側）和之后的照片，CH4流速分別為2和7.5 sccm（Ar / H2：100 / 50 sccm，1000℃，2小時）；
b）在不同類型的耐高溫玻璃上生長的石墨烯的典型拉曼光譜（Ar / H2 / CH4：100/50/ 6.3sccm，在1000℃下2小時）；
c）石英玻璃上生長的石墨烯薄膜的光學透過率光譜，在550nm下的光學透過率為96.3％；
d）玻璃上直接生長的石墨烯薄膜的TEM圖像，其為單層、雙層和三層石墨烯的混合膜；
e）不同生長溫度下，藍寶石玻璃上生長的石墨烯薄膜的拉曼光譜。
圖3 通過混合CVD工藝在玻璃上生長石墨烯
a）氣流限域實驗設計示意圖：將磨砂石英板放置在目標玻璃基板上，形成2-4μm的間隙；
b，c）使用氣流限域CVD（b）和常規APCVD（c）法在生長45分鐘后石英玻璃上石墨烯成核的SEM圖像；
d）使用氣流限域CVD法在石英玻璃上生長的石墨烯的SEM圖像，生長時間為75分鐘。 所有其他生長參數保持相同（≈1040°C，Ar / H2 / CH4：150/30/10 sccm），比例尺：2 μm；
e）通過氣流限域CVD法在石英玻璃上生長的石墨烯薄膜的光學顯微圖像（在轉移到SiO2 / Si襯底上之后）。比例尺：10μm；
f）使用氣流限域CVD法獲得的石墨烯玻璃的拉曼光譜。
展開 
石墨烯薄膜的最新內容
20,000平方米?（較2025年增長33%）
參展企業：?約400家?，覆蓋20多個國家和地區
觀眾預期：超2萬人次
?核心聚焦領域?：
AI智算中心、智能汽車、半導體等高熱流密度場景下的熱管理技術
液冷散熱規模化應用
展品范圍（六大板塊）
?導熱散熱石墨?：石墨烯、導熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜等
?導熱散熱材料?：導熱粉體（氧化鋁、球鋁等）、石墨烯薄膜
█展品范圍：
1、導熱散熱石墨：石墨烯、導熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜、導熱石墨、石墨散熱片、石墨膜、石墨絕緣膜、石墨膜卷材及相關設備等;
2、導熱散熱材料：離型膜、氧化鋁、球形氧化鋁、氫氧化鋁、球鋁、角鋁、氫鋁、微硅粉、氧化鋯、導熱粉體、石墨烯粉體、導熱膜、石墨烯薄膜、納米材料、納米碳材料、液態金屬導熱片、硅膠片、塑料、絕緣材料、界面材料、雙面膠、基板、導熱矽膠布、膠帶、碳納米管、金剛石
圖 1-1模型示意圖
本案例使用“自動計算透反率模式”研究石墨烯和特異介質的相互作用，分析透反率在有無石墨烯存在情況下的變化。光源處于近紅外波段。
模型為周期結構，圖中只顯示了該結構的一個單元，其中綠色介質為石墨烯（采用無色散介質建模），黃色介質為金，灰色介質為 Si3N4，金介質層中有空氣狹縫。光源從石墨烯的一側入射，并設為開放邊界，其余向設置為周期邊界。
圖 1-1模型示意圖
本案例使用“自動計算透反率模式”研究石墨烯和特異介質的相互作用，分析透反率在有無石墨烯存在情況下的變化。光源處于近紅外波段。
模型為周期結構，圖中只顯示了該結構的一個單元，其中綠色介質為石墨烯（采用無色散介質建模），黃色介質為金，灰色介質為 Si3N4，金介質層中有空氣狹縫。光源從石墨烯的一側入射，并設為開放邊界，其余向設置為周期邊界。
闡述了高性能石墨烯基宏觀材料（如一維石墨烯纖維，二維石墨烯薄膜和三維石墨烯泡沫）的塑化加工原理和相關研究進展，全面歸納了提高宏觀石墨烯組裝體力學、熱學和電學性能的指導思想和優化策略。最后，基于團隊近十余年來在石墨烯宏觀組裝體領域的深耕，提出了未來關于二維GO膠體分子和石墨烯宏觀組裝體的研究展望和工業化藍圖。
模型預覽
ANSYS石墨烯三維幾何模型及網格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進行建模，并將模型導入ANSYS內，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內容利用并集命令分別進行合并。
2.將球體圖層內容在原位置復制一份。
3.運用差集命令將紅色化學鍵與一份藍色原子進行差集操作
模型預覽
COMSOL石墨烯三維幾何模型及網格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進行建模，并將模型導入COMSOL內，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內容利用并集命令分別進行合并。
2.將球體圖層內容導出為sat格式。
3.運用差集命令將紅色化學鍵與藍色原子進行差集操作
模型預覽
Abaqus石墨烯三維幾何模型及網格劃分。
建模教程
采用CAD石墨烯生成器進行建模，并將模型導入Abaqus內，具體建模步驟如下。
1.CAD模型生成后將兩個圖層內容利用并集命令分別進行合并。
2.將球體圖層內容導出為iges格式。
3.運用差集命令將紅色化學鍵與藍色原子進行差集操作
插件介紹
CAD石墨烯生成器插件可用于在AutoCAD軟件內參數化建立石墨烯幾何模型。插件建立石墨烯的球棍模型，可控制模型的尺寸、碳原子環的尺寸、原子直徑、化學鍵直徑，并可控制模型的起伏形態。插件生成的實體模型可進行修改或繪圖渲染，用于三維石墨烯科研繪圖、論文插圖；也可導入COMSOL、ABAQUS、 LS-Dyna、ANSYS Workbench等有限元軟件直接進行仿真模擬
石墨烯薄膜、氧化石墨烯溶液、石墨烯粉體設備、石墨烯薄膜生長CVD設備等。
