近日，復旦大學高分子科學系盧紅斌教授課題組的項目“高質量石墨烯散熱膜的製備及應用”亮相第七屆中國（上海）國際技術進出口交易會。
自2004年被發現以來，作為迄今為止厚度最薄、強度最高的材料，石墨烯就引起了全球科研工作者的廣泛關注。十多年來，盧紅斌團隊在石墨烯及其複合材料創新發展和產業應用方面取得了系列突破性進展，團隊提出的水相剝離快速高效製備高質量石墨烯技術解決了石墨烯的成本高、工藝繁瑣、儲存運輸困難等關鍵問題，提出的超大片層氧化石墨烯、層數可控高質量石墨烯、超潔淨石墨烯以及石墨烯自發剝離等各種複合材料製備新技術解決了石墨烯規模化商業應用中的核心問題。此次亮相上交會的石墨散熱膜就是盧紅斌團隊最新研發的一種可望取代現有高成本、高能耗產品的石墨烯新材料。
製備高質量石墨烯散熱膜 有望提升便攜式電子設備熱管理效能
石墨烯在散熱膜產品中有著很好的應用前景。石墨散熱膜是一種厚度可控、綜合性能優異的導熱薄膜材料，可廣泛應用於智能手機、筆記本電腦、通訊基站等各類設備的熱量管理。隨著5G通訊設備、LED設備的不斷髮展，散熱膜市場的成長空間越來越廣闊。
聚酰亞胺熱解人造石墨膜是目前市場上廣泛採用的散熱膜產品。其原料聚酰亞胺膜（PI膜）的製備關鍵技術掌握在外國公司手中，中國市場下中游競爭激烈。由於原材料核心技術缺失，產品售價不斷走低，企業盈利空間持續受到擠壓。
盧紅斌團隊此次研發出的石墨烯散熱膜以天然鱗片石墨為原料，成本低廉，材料厚度在2-20m範圍內可控，熱導率高，柔韌性好，可連續彎折20000次以上性能無衰減。將製備出的散熱膜貼到電熱片上，溫度可下降40℃。石墨烯散熱膜成本低、性價比高、工藝過程簡潔高效，可望全面替代人造石墨膜，也將為可穿戴設備、柔性顯示、高功率武器裝備提供新的散熱解決方案。
盧紅斌介紹說，“高質量石墨烯散熱膜的製備從天然石墨出發，不僅環境汙染小，還具有突出的性價比，或將顛覆現有技術。”這一核心科技的突破，有望拉動下游諸多產品實現完全的國產化。
不斷突破石墨烯製備核心技術
早在2008年，盧紅斌團隊就注意到了石墨烯的迷人特性。“石墨烯具有很好的導電導熱性，而提高高分子材料的導電導熱性始終找不到一個令人滿意的解決途徑。”將兩者結合在一起、利用石墨烯對高分子材料進行改性並賦予其更多的功能性，成為盧紅斌團隊積十年之功探索石墨烯領域的初衷。他坦言，“只有掌握好源頭技術，才能有效推動相關技術領域的創新發展。”
很快，盧紅斌團隊在實驗室中做好了高分子材料和石墨烯結合的技術準備。這一基本技術問題得以解決後，2010年團隊開始探索石墨烯產業化應用的可行性，但他們發現，由於石墨烯的性質極大地受其結構、尺寸、孔洞和缺陷數量等多種因素的影響，當時在市場上獲得滿足生產要求的石墨烯是十分困難的。
考慮到未來工業化生產的需要，如能用水做溶劑實現石墨烯的規模化生產將是十分有利的。但石墨和石墨烯都是疏水物質，由於大的比表面積，石墨烯會漂浮水面上，而石墨則會沉入水底。要讓疏水的石墨在水中剝離成為石墨烯談何容易。
經歷了三年左右的反覆實驗，團隊提出了一種可將幾百萬層石墨烯堆疊在一起的天然石墨剝離成為單層、高質量石墨烯的獨特技術，不僅實現了石墨烯的高效剝離，而且工藝過程簡潔高效，易於工業化。這為石墨烯的規模化量產和應用打下了堅實基礎。
實現了關鍵技術的突破以後，盧紅斌又面臨著要解決有關技術的應用和產業化問題，這也促使他考慮如何將石墨烯研究向下遊延伸。
水相剝離技術使得較小片層的石墨烯的量產成為可能，但如何控制石墨烯的分子量、製備不同尺寸的石墨烯片層仍是亟待解決的關鍵問題。之前，人們通過分級篩選的方式製備超大片層的石墨烯，過程複雜，難以規模化量產，製備的石墨烯晶格結構不均勻，距離可量產的實際應用還很遙遠。盧紅斌團隊另闢蹊徑、採用一套全新路線將原料石墨中的石墨烯片層最大程度地保留下來，這就是他們最早提出的超大尺寸的氧化石墨烯製備技術。
盧紅斌團隊還提出了室溫插層、千倍膨脹以及無缺陷石墨烯的低成本製備技術。未來，室溫化學膨脹製備的石墨烯三維結構體將成為複合材料、儲能材料、環境治理等應用領域的關鍵基礎原料。團隊改變了傳統的高溫膨脹製備石墨烯的方法，採用了常溫常壓下的化學膨脹法，將石墨膨脹成為比表面積巨大的石墨烯三維結構體，後者相比傳統高溫膨脹石墨擁有更為優良的孔洞結構、導電導熱和晶格完整性，在環保、儲能和複合材料等領域前景極為廣闊。尤其是，團隊提出的石墨在高分子材料中自發剝離成為石墨烯，並實現均勻分散和晶格結構保留的獨特技術，可望為實現高分子與石墨烯的功能性複合和大規模生產提供理想的工業化途徑。
在盧紅斌看來，團隊對石墨烯的研究是一個高度相關的過程。“從石墨烯的分子尺寸控制，到石墨烯分子的三維結構，再到石墨烯自發剝離與複合的應用突破，這是一個高度相關的整體，我們最終要使石墨烯的製備過程和下游應用的產業化過程有機地結合在一起。”
“石墨烯是一個可以講大故事的領域”
盧紅斌清醒地認識到，儘管中國的石墨烯產業化技術已經走在了世界的前面，但要讓人們切實感受到石墨烯的巨大優勢仍有漫長的道路要走。“石墨烯具有非常好的應用潛力，在一些關鍵領域，我們已經完成了前瞻性研究積累，包括接近產業化的小規模實驗，相關技術突破已經在國內外形成了一定的影響，可以說已經具備了推動石墨烯產品進入實際應用的關鍵基礎。”盧紅斌表示，“石墨烯產業化已經進入了一個關鍵時期，持續不斷的努力終將會使石墨烯的潛力在各個領域得到釋放，並形成不可替代的應用產品。”
事實上，有部分石墨烯已經在部分領域得到應用。水相剝離得到的石墨烯可以大幅提升鋰離子電池的充電速度，這或將為解決電動汽車的“里程焦慮”提供一個新的解決方案。此外，石墨烯還可以作為高分子材料的功能性添加劑投入實際應用，不僅能夠賦予材料優良的導電導熱性質，也可以改變其加工性能。盧紅斌以石墨烯作為流變改性劑的應用為例，“石墨烯是一個各向異性比極大的二維物質，可顯著改變流體的流動行為，這對於包括塗料、潤滑油、塑料薄壁部件和薄膜加工都是十分重要的。”此外，盧紅斌同樣看好石墨烯作為傳感器的應用前景。他指出，我們現在已經可以利用石墨烯的優異性能監測新生兒、重病患者的多項生理指標和身體狀態。
目前，盧紅斌團隊提出的石墨烯水相剝離技術、石墨烯三維結構體量產製備等技術均已獲得了專利。團隊提出的在石墨烯表面可控修飾高分子鏈的新方法，已被國內外同行廣泛引用，多個產業園區向他們拋出橄欖枝，希望讓有關項目儘快落地。
“石墨烯是一個可以講大故事的領域，如何彰顯上海的優勢、復旦的優勢，也是我現階段所思考的一個重要問題。”盧紅斌表示，“在我看來，所謂基礎研究，就是要不斷做出更多的原創性成果，並通過成果轉化來推動社會進步。最終實現產業化一定是我們努力的方向。”（來源：復旦大學 作者：張曼麟、馮怡萱）
閱讀更多 量子之聲 的文章
