石墨烯是一种非常优异的二维材料,其本身具有很好的热学性能。近年来,随着石墨烯材料的发展,测试其热导率成为了研究石墨烯材料性能*活跃的领域之一,为石墨烯材料取代其他材料作为电子元件的导热、散热片提供了机会和可能性。
1、石墨烯的导热机理
一般采用热导率来描述一种材料的导热性能。热导率是指在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米、面积为1平方米的平行平面,若两个平面的温度相差1K,则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,其单位为W/mK。
石墨烯是一种层状结构材料,其热学性质主要是由晶格振动引起的,有文献报道通过计算石墨烯内光学声子与声学声子的色散曲线,发现在石墨烯内有六种极性声子,分别为:
(1)平面外的声学声子(ZA模声子)和光学声子(ZO模声子);
(2)平面内横向声学声子(TA模声子)和横向光学声子(TO模声子);
(3)平面内的纵向声学声子(LA模声子)和纵向光学声子(LO模声子)。
石墨烯中参与热传导的主要是3类声学声子,即LA模声子、TA模声子、ZA模声子,其中前两类是面内传输模式,有着线性的散射关系,后一类是面外传输模式,存在非线性的二次散射关系。研究认为,ZA模声子对传热的贡献大于LA模声子和TA模声子之和,可占到75%。
基于以上理论研究,石墨烯被预测存在超高的热导率,其单层石墨烯热导率高达5000W/mK,明显高于碳纳米管和金刚石,是室温下铜热导率10倍多。
2、石墨烯导热系数的测定
目前关于石墨烯热学性能的研究取得了很多成果,市场上也出现了很多石墨烯大热产品,但是石墨烯材料热导率的测试方法尚不统一。为了实现石墨烯材料的商业应用,仍需要研究一套标准的石墨烯热导率测试方法。
《石墨烯粉体导热系数的测定》规定了石墨烯粉体导热系数保护热流计法和激光闪射法的测定方法,同时该标准规定的保护热流计法适用于导热系数范围为0.1W/(m·K)~40W/(m·K)的石墨烯粉体;激光闪射法适用于导热系数范围为0.1W/(m·K)~2000W/(m·K)的石墨烯粉体。