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专题报告

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新型散热材料——石墨烯高导热材料

1. 石墨烯高导热薄膜概述


导热材料广泛应用于各个领域之中,特别是电子设备领域。常规的导热材料主要包括金属(如金、银、铜、铝和镁等)、金属氧化物(如氧化铝、氧化镁、氧化锌和氧化镍等)、金属氮化物(如氮化铝)、非金属材料(如石墨、炭黑、氮化硼、氮化硅和碳化硅等)。导热材料主要用于解决电子设备的热管理问题。热管理分为主动管理和被动管理,在设备和装置中需要对这两种热管理类型做出恰当选择以获得最佳能效。主动热管理通常与风扇、液体冷却器和热电冷却器等外部设备直接相关, 通过这些外部设备增强系统中的导热。


新型散热材料——石墨烯高导热材料

在当今热门的导热材料之中,石墨烯可谓其中的佼佼者,它是由SP2杂化碳原子组成的新型二维材料。自石墨烯通过机械剥离被发现以来,研究者对它的关注度有增无 减。由于石墨烯具有极高的比表面积和独特的六元碳环 共轭大π键结构,在理论厚度仅为0.34nm的情况下,其具有5300W·m-1·K-1的超高TC6000S·cm-1的超高电导率和1.0TPa的理论杨氏模量。石墨烯的形态各异,可根据实际需求进行形态定制。此外,石墨烯具有载流子迁移率高、力学性能强、物理和化学稳定性好等 优异性能,是一种优良的复合填料。


自 2004 年,英国的曼彻斯特大学的Geim 和 Novoselov首次用透明胶带机械剥离获得了单层的二维石墨烯,关于石墨烯物理化学性能的研究报道便层出不穷,其优异的导电和导热性更是获得越来越多的关注。目前石墨烯基导热材料的制备方法主要包括化学气相沉积(CVD)、真空抽滤、涂覆等。


新型散热材料——石墨烯高导热材料


2. 石墨烯高导热材料应用

 

石墨烯导热膜指以石墨烯为主体材料的新型散热材料,其微观结构是由单层石墨烯堆叠而成的高定向导热膜,又称石墨烯散热膜。主要应用于中高端智能手机、平板电脑等消费电子产品,小规模应用于笔记本电脑、智能可穿戴设备、ICT设备、航空航天、医疗器械等领域,并逐步向半导体封装、新能源汽车等热管理领域拓展。


新型散热材料——石墨烯高导热材料


石墨烯导热膜应用领域



自2018年首次被华为应用于Mate20X手机后,石墨烯散热膜逐渐被包括荣耀、努比亚、小米、OnePlus、OPPO、ROG、联想等众多手机厂商接受并使用,特别是在旗舰机和游戏机上,也拓展应用到平板电脑等电子产品,已经成为主流热管理方案之一。

新型散热材料——石墨烯高导热材料


3. 石墨烯导热材料企业分布


石墨烯导热材料领域主要企业(排名不分先后):

Panasonic:松下成立于1918年,总部位于日本,世界500强企业,全球性电子产品厂商,人工合成石墨材料领导者,应用领域包括移动通信、新能源、汽车和医疗等。

GrafTech:Graftech创立于1886年,总部位于美国,世界知名的石墨电极生产商,在石墨材料领域处于世界领先地位,主要产品为石墨电极等。

Kaneka:成立于1949年,总部位于日本,日本大型化工产品上市公司,主要产品包括化学产品、功能性树脂、发泡树脂制品、食品、生命科学、电子材料、合成纤维等。

中石科技:中石科技成立于1997年4月,已于2017年12月27日在深交所创业板上市。中石科技主要从事电子设备功能性材料及元件的研发、设计、生产、销售与技术服务,产品涵盖热管理材料、人工合成石墨材料、电磁屏蔽及IP密封材料、EMI滤波器、信号滤波器等,广泛应用于智能终端、通讯设备、新能源汽车、电子电力、机械制造、轨道交通等领域。

苏州天脉:苏州天脉成立于2007年,主营业务为导热散热材料及元器件的研发、生产及销售,主要产品包括热管、均温板、导热界面材料、人工石墨膜等,产品广泛应用于智能手机、笔记本电脑等消费电子以及安防监控设备、汽车电子、通信设备等领域。

思泉新材:思泉新材成立于2011年6月,主要从事热管理材料、磁性材料、纳米防护材料的研发、生产和销售,主要产品为人工合成石墨散热膜、人工合成石墨散热片等热管理材料,主要应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能穿戴设备等消费电子应用领域。

深圳垒石:深圳垒石成立于2012年11月,主要从事电子产品散热材料的研发生产和销售,主要产品包括人工石墨散热膜、热管、均温板等,产品广泛应用于智能手机、笔记本电脑、智能家居、智能手表等消费电子产品。

碳元科技:碳元科技成立于2010年8月,已于2017年3月20日在上交所上市。碳元科技主要从事高导热人工石墨膜、超薄热管和超薄均热板等散热材料的研发、生产和销售,主要应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等消费电子产品。

安徽碳华:成立于2018年10月,主营类石墨烯膜类产品,包含人工石墨高导膜、高绝缘导热膜等绝缘导热产品,核心技术成果来源于企业自主研发的工艺技术,以及全封闭高温处理、自动化压延工艺和设备。


4.石墨烯导热材料未来发展
 

实验测试表明,石墨烯导热膜可以耐受10万余次的弯曲,而不影响其导热导电性能,而且,在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK(瓦/米·度),接近理想单层石墨烯导热率的40%,创造了宏观材料导热率的新纪录。

新型散热材料——石墨烯高导热材料

从我国对石墨烯的政策扶持来看,锂电池、防腐涂料、柔性电子等是国家重点规划的方向。根据《中国制造2025重点领域技术路线图》,到2025年,电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料规模将达到万吨级,海洋工程用石墨烯基防腐涂料将达到十万吨级规模,柔性电子用石墨烯薄膜规模将达到上亿平方米。国家政策的重点扶持使我们相信,未来这三个领域将会得到更优先发展的机会,是石墨烯产业化道路上最值得关注的细分领域之一。

石墨烯是近年来最热的新材料之一,石墨烯制成的薄膜也因其具有良好的透明性、导电性以及柔性等特点,在电子、光子及光电设备领域的应用范围十分广泛,极具发展前景。

随着科学技术的不断发展,各种电子元器件日趋轻型化,微型化,高性能化,在运行的过程中不可避免的会产生和累积大量的热量,如果热量不能被及时导出,过高的温度会降低芯片的工作稳定性,增加出错率,尤其是电子模块与外界环境之间的过大的温度差会形成热应力,直接影响到电子芯片的电性能、工作频率、机械强度以及可靠性。所以,必须依靠性能优异的散热材料将器件所生成的热量快速的散发出去。传统的散热材料主要依靠于金属,例如银、铜、铝等,但是金属材料的一些固有性质,例如密度大、耐腐蚀性差等已经严重的制约了其在散热材料方面的应用。

由于石墨烯具备良好的导热性能、快速散热性能,因此随着5G手机高端化发展,石墨烯导热膜+均热板将成为智能手机的主要散热方式。

同时,石墨烯导热膜的厚度不受原材料限制,与传统人工石墨相比,热通量得到了较大的提升,而且使用石墨烯制备导热膜还可以摆脱对进口聚酰亚胺膜材(PI膜)的依赖,消除国际贸易对导热膜产品的影响。

业界的投资动向及产业资讯均表明,石墨烯散热膜在产品性能及规模化生产上正取得突破。石墨烯散热膜有望在渗透率上赶超传统人工石墨或PI烧结石墨膜。



此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译,部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的,仅供行业人士交流,引用请注明出处。


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