石墨材料导热系数仪

DRL-III导热系数测试仪（热流法）一、产品概述 该导热系数仪采用热流法测量不同类型材料的热导率、热扩散率以及热熔。测量参照标准 MIL-I-49456A高分子材料，陶瓷，绝缘材料，复合材料，非金属材料，玻璃，橡胶，及其它的具有低、中等导热系数的材料。仅需要比较小的样品。薄膜可以使用多层技术准确的得到测量。二、主要技术参数：1：热极温控： 室温～200℃, 测温分辨率0.01℃2：冷极温控：0～99.99℃，分辨率0.01℃3：样品直径：Ф30mm，厚度0.02-20mm；4：热阻范围：0.000005 ～ 0.05 m2K/W5：导热系数测试范围： 0.010-50W/mK， 6：精度 ≤±3%7：压力测量范围：0～1000N8: 位移测量范围：0～30.00mm9：实验方式：a、试样不同压力下热阻测试。b、材料导热系数测试。c、接触热阻测试。d、老化可靠性测试。10：配有完整的测试系统及软件平台。11：操作采用全自动热分析测试软件，快速准确对样品进行试验过程参数分析和报告打印输出。三、仪器配置：1.测试主机 1台, 2.恒温水槽 1台， 3.测试软件 1套，4.胶体粉体样品框1个，*4.计算机（打印机）用户自备典型测试材料：1、金属材料、不锈钢。2、导热硅脂。3、导热硅胶垫。4、导热工程塑料。5、导热胶带(样品很薄很黏，难以制作规则的单个样品，一边用透明塑料另外一边用纸固定)。 6、铝基板、覆铜板。 7、石英玻璃、复合陶瓷。8、泡沫铜、石墨纸、石墨片等新型材料。创新点：样品夹在两个热流传感器中间测试，温度梯度固定或可调。使用内嵌的控制器或外部电脑测得样品的导热系数与热阻。自动上板移动与样品厚度测量，所有测试参数与校正数据可存于电脑内。对校正测试与样品测试进行温度程序编制、数据查看与储存。

制备决定未来，石墨烯材料的可控制备是石墨烯行业的基础，更是石墨烯在下游应用中充分发挥其性能优势的关键。在批量制造石墨烯材料的过程中，精确控制石墨烯片层厚度、横向尺寸和化学结构等参数已成为石墨烯在热管理、新能源、纤维等领域应用的瓶颈。鳞片石墨剥离技术是发展最为成熟的石墨烯规模化制备技术，该方法已实现石墨烯片层厚度和化学结构的精确控制，但在横向尺寸调控方面仍然面临挑战，典型的石墨烯横向尺寸分布在几百纳米到几个微米以内。单一石墨烯片的的横向尺寸越大，所组装构建的宏观结构在导热、导电和力学等性能方面具有更大的提升潜力和空间。因此，亟待发展横向尺寸在几十微米、甚至几百微米的大尺寸石墨烯材料规模化高效可控制备技术，而实现这一目标必须从制备机理上进行创新和突破。近期，针对传统技术利用长时间、强氧化剂环境氧化剥离石墨存在的剪切破碎严重、横向尺寸难保持等关键科学问题，中科院上海微系统所丁古巧课题组在前期独创的“离域电化学解理” 方法（Chemical Engineering Journal 428 (2022): 131122. 10.1016/j.cej.2021.131122）和“预解理再剥离”技术（Carbon 191 (2022): 477. 10.1016/j.carbon.2022.02.001）基础上，提出了 “氧化新鲜石墨烯网络结构”新策略，该策略首先利用离域电化学法深度解理石墨获得多孔的石墨烯网络结构，然后对获得的石墨烯多孔网络结构进行氧化剥离，由于多孔网络结构为氧化剂的输运提供了高速通道，实现了氧化剂当量和氧化剥离时间的同步大幅减小（图1a），氧化剂当量从通常报道的2-5减少至1，氧化时间从通常的3-5 h下降到1 h，为大尺寸石墨烯材料的制备提供了新的思路。图1. (a) “氧化石墨烯网络结构”策略示意图；(b)大尺寸氧化石墨烯横向尺寸及分布；(c)大尺寸氧化石墨烯的晶格结构分析；(d, e)“氧化新鲜石墨烯网络”策略的优势。该方法在不引入后续筛选处理的情况下实现了大尺寸高晶格质量氧化石墨烯的高效制备。将石墨剥离过程中横向尺寸保持率提高到文献报道最好水平的1.5-2倍，将氧化石墨烯的平均尺寸极限从~120 μm提升到~180 μm（图1b）。需要特别指出的是，结构表征数据表明所制备的水相可分散大尺寸氧化石墨烯具有完全不同于传统氧化石墨烯的晶格结构，也不同于一般的石墨烯，是介于氧化石墨烯和高质量石墨烯之间的一种特殊结构石墨烯材料。氧化剂当量和氧化时间同时减少不仅抑制了石墨/石墨烯碎裂，还在很大程度上保留了石墨原料的sp2结构，在剥离形成的石墨烯片中形成了 “晶区网络包围非晶区岛”的特殊晶格结构（图1c）。更重要的是，机理研究还发现深度预解理石墨结构并保持其“新鲜性”对于石墨烯横向尺寸保持至关重要，传统方法在预解理和氧化剥离体系之间切换时引入的洗涤干燥等过程不可忽视。现有预解理方法很难将石墨解理成石墨烯网络结构，而且溶液体系切换不可避免的片层“回叠”效应在很大程度上破坏了新构建的氧化剂输运通道。相反，“离域电化学解理”体系很好地匹配了氧化剥离体系，从根本上避免了不同体系切换造成的不良影响，是“氧化新鲜石墨烯网络结构”策略成功的关键。进一步的物性结果（图2）表明，大尺寸高质量石墨烯具有良好水相分散性，可组装形成层状结构宏观膜。与绝缘的传统氧化石墨烯膜不同，在不经还原处理情况下大尺寸高质量石墨烯宏观膜表现出良好导电性，电导率达到305.3 Sm-1。同时，相对于小尺寸氧化石墨烯，大尺寸高质量石墨烯构建的宏观膜具有优异的力学性能，杨氏模量达到21.2 GPa，拉伸强度达到392.1 Mpa，分别是小尺寸石墨烯膜的~3倍和~5倍。更重要的是，大尺寸高质量石墨烯在构建石墨烯导热厚膜方面表现出明显优势，制备的100 μm石墨烯厚膜导热系数达到1576.1±26.7 W m-1 K-1，超过此前文献报道水平，充分体现了大尺寸石墨烯的导热优势。图2.大尺寸氧化石墨烯膜的显微结构（a）、导电性能（b）、力学性能（c-f）和导热性能（g-j）优势。上述工作大幅突破了氧化石墨烯的平均横向尺寸极限，同时拓展了氧化石墨烯的物性空间，形成了水相可分散大尺寸高质量氧化石墨烯的可规模化制备技术，从材料层面为石墨烯基器件热管理体系、力学增强结构、导电复合材料的性能突破和应用升级提供了新的解决方案。相关研究成果近期以“Oxidating Fresh Porous Graphene Networks toward Ultra‐Large Graphene Oxide with Electrical Conductivity”为题在线发表于Advanced Functional Materials (IF=19.924，10.1002/adfm.202202697)。论文第一作者为中科院上海微系统所张鹏磊博士，通讯作者为中科院上海微系统所丁古巧研究员、何朋副研究员。相关工作得到国家自然科学基金（51802337, 11774368 and 11704204）等资金支持。论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202202697

据报道，美国科罗拉多大学研究人员日前成功合成出石墨炔，此项成果或为电子、光学和半导体材料研究开辟全新的途径。事实上，石墨炔的合成研究一直是科学家们孜孜以求的目标，早在2010年，我国的李玉良院士团队就在世界上首次合成石墨炔。我们很多人都听说过大名鼎鼎的石墨烯，也知道2010年的诺贝尔物理学奖就是颁发给了石墨烯材料的研发者。石墨炔与石墨烯，仅一字之差，它们之间是否存在某种联系？石墨炔能否和石墨烯媲美？这里我们就来深入了解一下。21世纪是石墨烯的世纪　　让我们先从更早出世的石墨烯说起。　　听上去，石墨烯和石墨似乎有着某种联系，事实也确实如此。石墨烯和石墨、金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质。它们都是碳家族的一员，互为同素异形体，含有碳元素但具有不同的排列方式，从而表现出不同的物理性质。　　比如金刚石（钻石的原身），它呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键；当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，由于金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。　　石墨是片层状结构，层内碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以3个共价键与其它碳原子结合，而层与层之间的距离则比较大，层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。天然石墨耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好，摩擦系数小。铅笔之所以在纸上轻轻一划就会留下痕迹，正是这种松散堆砌的结果。　　石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，可以说石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至几十层的石墨烯。　　换句话说，把石墨一层一层地剥下来就是石墨烯了。从力学性质上说，石墨烯同石墨一样，其各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。　　科学家已经证实了石墨烯是目前世界上已知的强度最高的材料，比钻石还坚硬，是世界上最硬的钢铁强度的100多倍。瑞典皇家科学院在颁发2010年诺贝尔物理学奖时曾这样比喻：“利用单层石墨烯制作的吊床可以承载一只4千克的兔子”。有人这样引申说，由于石墨烯厚度只有单层原子，透光率高达97.7%，因此如果真有那样的吊床，它不仅对于肉眼，甚至对于很多仪器来说都是不可见的，我们看到的将是一只悬停在半空中的兔子。还有估算显示，如果重叠石墨烯薄片，使其厚度与食品保鲜膜相同的话，便可承载2吨重的汽车。　　从热电性质上来说，在石墨烯的“二维世界”里，电子运动具有很奇特的性质，即电子的质量仿佛是不存在的，其传导速度可达光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。加上石墨烯结构在常温下的高度完美性，使得电子的传输及对外场的反应都超级迅速，这使得石墨烯具有超常的导电性和导热性。　　而且更重要的是，石墨烯还可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的线度上依然能稳定地工作。若是用石墨烯来替代硅生产超级计算机，计算机的运行速度将会比现在快数百倍。因此很多人相信，石墨烯将会成为硅的接班人，引领技术领域一个新的微缩时代的来临。　　除了具有超高的强度和韧性外，石墨烯几乎是完全透明的，即使是最小的单分子原子（氦原子）也无法穿过，只吸收2.3%左右的光，还有不透水、不透气以及抵御强酸、强碱的能力，这使它有可能成为制作保护膜的理想材料。石墨烯既能导电又高度透明的特点，使得它非常适合作为透明电子产品的原料，例如触摸显示屏、太阳能电池板的原料等。　　研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备——微型石墨烯超级电容器。这种装置的充电或放电速度比常规电池快100倍到1000倍，能在一分钟内给手机甚至汽车充满电。　　正因如此，所以有人说，如果20世纪是硅的世纪，那么21世纪就是石墨烯的世纪。　　2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年，两人因此共同获得了诺贝尔物理学奖。“下一代奇迹材料”石墨炔　　石墨烯已经如此神奇了，那么石墨炔呢？它有什么不一样的神奇之处吗？　　石墨炔和石墨烯一样，也是只由碳原子构成，也是只有一层原子厚度的二维晶体。不同的地方在于，石墨烯的平面原子结构是六边形，也被称为蜂巢晶格结构；而石墨炔的平面原子结构则能具有数种不同的二维结构，其理论上能以无数种形态存在，目前已经至少有6种石墨炔异构体被报道。　　正是因为拥有异构体结构，石墨炔具有某些独特的电子传导、力学和光学特性。此外，石墨炔还天生具有电荷载子，不像石墨烯需要额外掺杂，因此能作为制作电子元件所需的半导体材料。　　早在1968年，理论化学家鲍曼就通过理论计算证实了石墨炔结构的存在。但要想在实际中合成制备出石墨炔，还面临着很多巨大的困难。我们可以这样理解，石墨烯的平面碳原子结构和石墨的单层平面碳原子结构毕竟是相同的，因此合成制备石墨烯还可以以石墨为抓手，而合成石墨炔的难度显然是更大了。　　科学家们一直在为此不懈努力。在2010年，中科院化学所李玉良院士团队在石墨炔研究方面取得了重要突破，在世界上首次合成了石墨炔，开辟了碳材料的新领域。李玉良和他的团队从20世纪90年代中期开始探索平面碳的合成化学研究。在石墨炔的合成中，他们从源头的分子设计开始进行研究，渐渐地试着合成一些分子的片段。直到有一天在阅读文献的过程中，李玉良研究员突然联想到了一种化学的方法有可能使石墨炔大面积成膜。他们在铜片表面上通过化学方法原位合成石墨炔并首次成功地获得了大面积（3.61平方厘米）碳的新的同素异形体——石墨炔薄膜。　　今年5月9日发表在《自然合成》上的研究论文，则在石墨炔合成制备上提供了一个新的途径。此文通讯作者、科罗拉多大学波尔德分校化学教授张伟和他的团队，通过使用被称为炔烃换位反应的有机反应过程中，在热力学和动力学的控制下重新分割或切割和重组烷基化学键，也成功地制作出石墨炔。　　石墨炔被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅的优异半导体性能，石墨炔有望广泛应用于电子、半导体领域。　　锂在石墨中的扩散方式是面内扩散，也就是层间扩散。与石墨不同的是，石墨炔同时有二维平面结构和三维孔道结构，锂在其中有面内和面外两种扩散方式，这使得石墨炔在锂离子电池方面具有很好的应用潜力。石墨炔是一种理想的储锂材料，可以作为锂离子电池的高能量密度存储的负极材料。科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。　　石墨炔这种材料或许还有一些令人意想不到的神奇功能。据2020年发表在《科技日报》上的一则报道，山东理工大学低维光电材料与器件团队发现，石墨炔具有优异的紫外非线性特性，可以“恰到好处”地吸收紫外线。相关成果发表在国际知名期刊《纳米尺度》上。所谓紫外非线性材料，就是能够在紫外线强度比较低的情况下允许其通过，但若紫外线强度高于某一阈值，那么该材料就会神奇地将超额的紫外线阻挡住，形成对生物细胞的保护，从而使其成为理想的紫外防护材料。　　英国《纳米技术》杂志曾这样评价：“石墨炔是未来最具潜力和商业价值的材料之一，它将在诸多领域得到广泛的应用。”　　在合成石墨炔领域，我国科学家有着开创性的成果。而要获得大规模工业制备石墨炔的方法，还需要全球科学家们付出更多艰苦的努力，前景令人期待。

太空环境由极端温度、真空、微流星体、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化组成。航天器和航天系统的设计和建造很大程度上依赖于这些参数。暴露在这些恶劣环境下的系统表面由于原子氧的存在而产生破损。因此，高强度和刚度的先进工程材料使20世纪的月球探索时代成为可能，人类探索火星和更远的目的地将需要新一代的材料。20多年来，在纳米尺度(一维小于100nm)合成和加工材料的独特性能吸引了各行各业的关注，这些特性包括大表面积、高纵横比、高各向异性、可定制的电导率和导热系数以及独特的光学特性等。这些特性可用于制备高强度、轻量化和多功能结构、新颖的传感器以及具有高度可靠的环境控制能力、能够屏蔽辐射的储能系统。可持续技术改进的交织性质使纳米材料成为航空航天应用的理想材料。纳米材料可以集成到复杂的航空几何结构中，减少制造技术中的废物产生。这也可用于轻量化和无需耗时维护的机身和结构的设计。石墨烯结构由单层厚度的六方晶格碳原子组成，具有高强度、高刚度、低密度、高电导率和导热率。石墨烯具有高的载流子传输速率，表现出比铜导体好的导电性，比硅半导体更好的材料。石墨烯基复合材料应用于航空航天工业，能有效地减轻重量，提高材料强度，从而减少排放，减少燃料消耗，最终实现更绿色和更清洁的环境。以石墨烯为基础的先进纳米材料在航空工业中，得到了广泛的认可和应用。本文主要从以下三方面进行综述: （1）简述石墨烯结构及其性能特征；（2）主要介绍石墨烯在空天推进和动力领域的热门应用方向，例如复合推进剂，热管理，电极材料，光帆材料等方面；（3）石墨烯未来在空天领域的应用前景和挑战。一、石墨烯结构及其特性石墨烯由单原子厚度的sp₂杂化碳原子同素异形体组成，呈二维(2D)平面蜂窝状晶格。也是构成石墨、碳纳米管、富勒烯等多种碳的同素异形体的基本单元。如图1所示，具有二维碳原子结构的石墨烯，可以通过堆叠形成三维的石墨，也可通过卷曲形成一维的碳纳米管，或者通过包裹形成零维的富勒烯。图1 （a）石墨烯及碳的同素异形体；（b）石墨烯的晶格结构，属于相邻两个碳格A和B的碳原子以圆点表示；（c）石墨烯的能带结构；（d）石墨烯起伏表面模型图。早在1940年，就有理论认为，二维的石墨烯处于非稳定热力学状态，无法在有限温度下自由存在。因此，一直仅是一个学术概念。直至2004年，曼彻斯特大学利用简单的机械剥离方法成功获得单层石墨烯，从而证实它可以稳定存在。石墨烯的蜂巢晶格结构由密集分布在六边形点阵上的碳原子构成，原子排列十分紧密。碳原子以sp₂电子轨道杂化，在平面内形成3个σ键，键角120°，键长约为0.142nm（图 1(b)），2pz轨道电子在垂直于平面方向形成大π键。石墨烯具有特殊的能带结构，由简单的紧束缚模型可以计算得出，它的导带（π*带）和价带（π带）在布里渊区的两个锥顶点K和K´交于一点，称为Dirac点，进而形成圆锥状的低谷。同时，通过观测发现，石墨烯并不是一个完美的平整的二维结构，而是在微观状态下表现出一定的起伏（图 1(e)），这也被认为是石墨烯能够在室温下自由稳定存在的原因。由于其优异的化学稳定性、高载流子迁移率、低密度和光学透明度等特性，在传感器、光子和电子器件等领域被认为是一种很有前景的材料。这一新型碳材料也从此开辟了一个崭新的研究方向，以其令人兴奋的独特性质，涉及的领域覆盖化学、力学、医学、电子智能及众多交叉学科，并由此创造了潜在的巨大经济价值与广阔的应用前景。二、石墨烯在空天推进领域热门应用方向航空航天应用历来是先进材料的驱动力，从太空飞行器的强化碳-碳热保护系统到先进的推进动力系统。只有工程纳米材料的应用才能满足需求，使得航空航天发展更进一步。（一）复合推进剂石墨烯的应用目前也已经扩展到复合推进剂领域，主要用于提高推进剂的热分解、导热以及力学性能。研究最多的就是复合固体推进剂含能组分的热分解，分解速率的提升对于提高推进剂的燃烧性能至关重要，而热分解又主要依赖于催化剂体系。传统上广泛使用的催化剂主要是一些过渡金属及其氧化物。它们的催化能力依赖暴露出来的金属活性位点的数量，然而其往往容易发生团聚，降低催化活性。为了克服这一问题，纳米碳材料已经被广泛作为催化剂载体，以抑制催化剂颗粒的团聚，提高其催化能力。以石墨烯为基底负载无机纳米颗粒的方法主要有非原位复合和原位复合。非原位复合是将预先制备好的纳米颗粒直接附着在石墨烯上，但是由于兼容性问题以及改性剂可能影响到与含能材料之间的相互作用，所以以原位复合方法制备复合推进剂的方法研究的较多。原位复合是通过在石墨烯表面上由各种前驱体制备出纳米颗粒的方法。根据制备手段不同原位复合可以分为还原法、电化学沉积法、水热法、溶胶-凝胶法。石墨烯原位复合纳米材料的制备方法中，电化学沉积法、溶胶/凝胶法由于工艺复杂或原料昂贵，不适合大规模生产。水热法相对于化学还原法的优势在于避免了还原剂的使用，还可以负载金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒分散度高，粒径小且对负载纳米颗粒的性状调控性更强。在实际应用中，根据负载的燃烧催化剂选择不同的方法制备。DEY等采用微波法制备了直径约20~30nm的Fe₂O₃粒子均匀分散在石墨烯片上的Fe₂O₃/Graphene复合粒子，作为AP的催化剂，并对其催化性能进行研究。研究发现，随着Fe₂O₃/Graphene含量的增加，催化作用也明显增强，同时指出Fe₂O₃/Graphene能够有效加快AP系推进剂的燃烧速率。复合固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要问题。一方面，由于推进剂不可避免地需要承受极端恶劣和复杂的温度环境，温度的变化很容易导致内部应力的产生；另一方面，导热系数对推进剂的点火和燃烧性能具有关键性的作用。以高分子粘结剂为基体的复合固体推进剂导热系数通常较低，这使得其在承受大幅度温度冲击时，热量无法快速传递，导致装药内部温度分布不均匀或呈梯度分布，进而产生严重的内部热应力，直接引起内部裂纹甚至结构破坏。石墨烯由于具有极高的导热系数和较轻的质量，目前已经广泛作为导热填料用于复合材料。这种具有二维结构的新型轻质碳材料实际上已经在含能材料导热性能的提升方面发挥了作用，如对于高聚物粘结炸药导热系数的提升。张建侃等总结了石墨烯应用于固体推进剂的研究进展的基础上，提出非氧化石墨烯由于导热系数高，适合经非共价改性后分散于推进剂基体中，增强基体的导热性能。此外，复合固体推进剂力学性能的不足将导致药柱无法承受冲击、振动、过载等复杂载荷的作用，进而产生裂纹，增大燃烧面积，引起发动机内压升高，甚至导致爆炸。为了提高复合推进剂的力学性能，在基体中添加纳米材料已经成为提高推进剂力学性能的重要手段。文献指出，石墨烯应用于复合推进剂，可以有效增强推进剂的力学性质。（二）热管理石墨烯纳米材料目前正被纳入各种航天热防护材料和热管理，以提高在各种气或热流动条件下热稳定性和机械完整性的极限。为特殊航天任务材料系统提供多功能的研究也在进行中。由于航空工业的发展，复合材料基体的耐热性和烧蚀性能提出了更高的要求。由于树脂具有良好的加工工艺等性能，被广泛用作耐烧蚀材料的主要基体。为了进一步改善烧蚀材料的性能，石墨烯由于其独特的结构，表现出优异的热稳定性能、力学性能、导电性能等特点，是制备先进复合材料的理想增强体。这些复合材料用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体火箭发动机的内部绝缘以及导弹发射设施结构。研究发现，氧化石墨烯/酚醛树脂/碳纤维复合材料的热稳定性和烧蚀性能得到了显著提高，这是因为GO在聚合物基体中的分散良好，GO与酚醛基体之间的界面相互作用强，以及热解后的层状碳结构。与其他样品相比，GO含量为1.25%的样品在烧蚀率、热扩散率和热稳定性方面表现最佳。该复合材料在不同温度下具有恒定的热扩散率，炭产率和烧蚀率分别提高了10%和51%。MA等为了提高碳纤维/ 酚醛复合材料的烧蚀性能，采用纳米填料对纤维增强体界面进行改性。首先，通过将低浓度的GO（0.1%）加入到碳/酚醛（CF/PR）中，结合实验和计算分析氧化石墨烯（GO）对提高复合材料抗烧蚀性能。氧化石墨烯填充复合材料在热阻方面的优势与氧化石墨烯的加入提高了PR的炭收率和纤维的石墨化。分子动力学模拟表明，即使浓度很小，基体内的氧化石墨烯也可以作为炭化PR石墨化晶体生长的核剂。在极端烧蚀温度下，纤维-基体界面处的氧化石墨烯可以与纤维结合。促进了石墨烯-纤维界面stone-throwing-wales缺陷(xy平面)和sp₂杂化(z方向)的形成，进一步提高了纤维的石墨化程度。文中还研究了两种纳米材料填充 CF/PR复合材料的界面、热性能和烧蚀性能。特别是，氧化石墨烯（GO）和石墨氮化碳（g-C3N4）被用于生产低负载（0.1%）的复合材料。通过氧乙炔火焰试验研究了复合材料的烧蚀性能。石墨烯填充和g-C3N4填充复合材料的抗烧蚀性能比原始复合材料分别提高了62.02%和22.36%，线性烧蚀速率的降低是导热系数、烧焦层和纤维石墨化程度共同作用的结果。氧化石墨烯填充复合材料的机理是氧化石墨烯可以显著提高纤维表面的石墨化程度，并进一步提高其抗高温烧蚀的耐热性。而在g-C3N4填充的复合材料中，较厚的纤维直径和烧蚀区炭化层可以分散可燃气体，提高抗氧化性能。此外，将石墨烯均匀地分散在丁苯橡胶基体中，显著提高了聚合物基纳米复合材料的抗烧蚀性能。多孔结构在烧蚀试验过程中形成，它增强了蒸腾和蒸发过程，降低了背面的温度升高。橡胶复合材料的极限拉伸强度和橡胶的肖氏硬度A得到有效提高，而断裂伸长率随着填料与基体比的增加而降低。与有机硅、天然橡胶和乙丙橡胶纳米复合材料相比，丁苯橡胶复合材料在暴露于超高温和剪切流后显示出很好特性。ARABY等制备了苯乙烯-丁二烯橡胶和石墨烯聚合物纳米复合材料。当纳米颗粒含量达到10.5%阈值时，产生导热和界面通道，此时导热系数最高。此外，如图2所示，辐射冷却正在成为一种越来越有吸引力的被动热管理方法，它利用周围环境中的光谱辐射特性。通过机械可重构石墨烯的选择性中间膨胀发射率控制，其中机械拉伸和释放会引起石墨烯的受控形态变化。利用太阳光谱吸收太阳辐射加热（从200nm~2.5μm，可见到近红外波长）并利用大气透射窗口（从8μm~14μm，中红外波长），通过将热量重新发射到外层空间来冷却表面。用于航空航天应用的系统和表面需要动态温度控制以获得最佳系统性能，同时满足个人舒适度和维护设备功能的热需求，并避免过热。能够在不同光谱范围内加热和冷却否定了使用具有相当均匀的高或低发射率值的传统材料，并且由于缺乏对发射率的动态调制，可调节温度的需要是刚性冷却表面无法实现的。同时，由于石墨烯良好的导热性，基于废热反射导热的石墨烯散热器在空间光伏聚光器上得到了应用，不仅降低了成本，在降低质量密度，比功率的提升方面都起到至关重要的作用。图2 （a）基于皱褶石墨烯的选择性发射；（b，c）褶皱节距的变化可利用太阳辐射和大气窗口来辐射冷却（10 μm）和加热（290nm）。（三）电极材料目前，小型化、自动化、以功能为中心的设备的快速发展，使星际任务和近地空间探索的实现更近一步。先进的纳米结构材料的引入促进了全球智能多样化的平台在电力、仪器和通信方面取得进步。然而，仍然缺乏高效可靠的推力系统，能够在长期部署期间支持小型卫星和立方体卫星的精确机动。此外，航空和空间系统需要可靠的电力生产、存储和传输，无论是短期还是长期活动。现有的能源系统正在被纳米材料创新所取代或补充。以石墨烯为基础的更好的工程纳米材料正在不断改进。MARKANDAN等使用氧化铝增韧氧化锆（ATZ）作为结构材料制造了一个微型推进器，氧化钇稳定氧化锆-石墨烯（YSZ-Gr）作为电极材料。YSZ-石墨烯不仅可以作为电解分解硝酸羟铵溶液的电极，还可以起到阻尼作用。这种微型推进器作为主推进系统具有潜在的应用，可用于卫星星座编队飞行中的快速轨道转移。离子推进器阴极（如图3（a）所示）的关键挑战在于减少或完全消除阴极的推进剂消耗，显著提高阴极的使用寿命，以及减少白炽部分的热损失。通过使用纳米多孔材料、纳米管和石墨烯，可以确保减少气体消耗。这个问题的最佳解决方案是通过使用高发射材料和表面结构完全消除通过阴极的气体通量。垂直排列的石墨烯薄片显著提高推进器效率的，作为无推进剂体系下的良好候选者而备受关注，如图3（b）所示。图3 （a）常用的热发射阴极示意图；（b)纳米多孔材料，垂直排列的石墨烯薄片直接生长在纳米多孔氧化铝上（比例尺：200nm）。（四）光帆材料基于石墨烯的轻型帆的推进系统因其灵活性和无需携带燃料这一特性而成为行星际和星际任务的候选技术。轻型航行也是唯一现存的空间推进技术，可以让我们在人类的一生中访问其他星系。为此举办的蜻蜓计划竞赛，就旨在评估激光驱动的光帆星际探测器发送到另一个恒星系统的可行性。这种大规模光操纵石墨烯光帆对实现星际探索和直接空间运输是具有深远意义的。如图4（a）所示，ZHANG等使用大块石墨烯泡沫在宏观尺度上观察到其直接光推进。这种三维石墨烯材料的新形态，使其不仅能够吸收不同波长的光，而且可以使用瓦级的激光，甚至阳光，按照一种新颖的光致电子喷射机制，直接推进到亚米尺度。如图4（b）所示，GAUDENZI与其合作伙伴制作了由铜网格支撑的石墨烯微膜二维帆叶，并在微重力环境下测试了光诱导位移。提出的材料设计消除了帆所需的光学和机械性能，从而大大降低了帆的总质量，并为利用石墨烯机械强度的高反射2D帆打开了大门。此外，PERAKIS等设计了石墨烯作为夹层的低密度和高反射率的三明治轻帆，达到指定加速度比目前最先进的镀铝的聚酯薄膜太阳帆材料性能更好。图4（a）石墨烯海绵在激光照射下向上推进和光致旋转示意图；（b）帆在激光照射下的垂直位移，显示了帆在微重力和真空中的不同位置(侧视图)：释放后(左)和在450nm、100mW的激光下加速350ms后（右） 。（五）其他领域由于太空环境由极端温度、真空、太空碎片和太阳黑子活动引起的大变化构成，那么先进的纳米复合材料被用于航空航天飞机结构和太空环境恶劣气候的涂层以及微电子系统的开发就变得非常的有意义。石墨烯霍尔效应传感器具有低热漂移，适用于航空航天应用的电力电子模块中的电流实时监测，可在高达500K的温度下工作。随着温度的升高，临界电子性质的变化，特别是载流子浓度和载流子迁移率的变化，这些参数是受实现传感器的石墨烯层狄拉克点Dirac点所独特影响的。利用门控优化石墨烯霍尔传感器可以实现低温度系数下的高灵敏度霍尔效应测量。此外，在其他星球上的生境开发受到多种标准的制约，其中之一就是空间碎片的撞击破坏。Kuzhir在纳米级厚度的铜催化剂膜和介质SiO₂基底之间通过催化化学气相沉积工艺合成Ka波段多层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的厚度由原子力显微镜直接表征，仅显示了样品上纳米级的小波动。所研究的薄膜厚度不超过5nm，且有一定的粗糙度。石墨烯只有千分之一的皮肤深度，吸收损耗造成的电磁屏蔽效率非常高，达到35%~43%的入射功率水平上。制造的石墨烯薄膜在室温下具有高度的导电性，在可见的范围内具有非常高的透明性，并具有非常好的热学和力学性能，可能成为制造纳米级厚度的电磁干扰防护涂层的有趣的技术材料。此外，特殊的三维导电链结构对轻质，柔性的导电纳米复合材料具有很强的吸引力，尤其是在降低材料的制造价格和良好的加工性能方面。聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料通过将石墨烯排列成仿珍珠层状序列三维结构，在石墨烯含量不足的情况下表现出更高的力学性能、各向异性电导率和优越的电磁辐射屏蔽效率。掺杂0.4%质量分数的导电颗粒电磁辐射屏蔽效率达到42dB，沿排列方向的电导率为32S/m。在2500 ℃下热处理气凝胶后，聚合物纳米复合材料的电磁辐射屏蔽效率和电导率分别变化为65dB和0.5S/m。在0.15%的超低浓度，热处理温度800℃条件下，其电磁辐射屏蔽效率可达25dB。表明各向异性石墨烯/PDMS层板在超低石墨烯含量下通过结构调控获得了更高的电磁屏蔽效率。环境控制和生命支持系统技术是纳米材料的沃土，长期的人类太空探索带来了最大的挑战。无论是在相对安全的低地球轨道内的短期任务，还是艰难的长期任务，如前往遥远的星球。可靠的空气、水和食物供应；废物管理系统；功能性的可居住空间都是必不可少的。包括在国际空间站上的低轨道运行，已经为生命支撑技术提供了一个有用的试验场，随着航天国家为前往火星等目的地的长期任务做准备，在低轨道运行中测试技术被认为是一项重要的指标。目前的生命支撑技术的可靠性和性能相对较差，需要采用高比表面积和导电纳米材料作为提高系统整体性能的途径之一。碳纳米管仲胺功能化以实现二氧化碳去除，这是生命支持技术不可或缺的功能，并解决当前系统的局限性，包括可再生性和高功耗。在最好的条件下，水的净化和回收是具有挑战性的，但微重力环境的增加和多年耐用性的必要性推动了基于纳米材料的水过滤系统的几个例子。富勒烯在水净化方面已显示出非常好的前景，美国宇航局赞助的使用碳纳米管的纳米级过滤技术已发展成为一种商业产品。尽管可扩展性仍然存在问题，但多孔石墨烯是一种积极研究的水过滤材料，吸引了大量的关注，如图5所示。图5 （a）纳米多孔石墨烯水脱盐示意图；（b）具有亲水键的纳米孔示意图。三、结束语本文首先对石墨烯的结构和理化性质进行了介绍，并简要阐述各性能在具体应用中的重要作用；然后，综述了石墨烯纳米材料在航空航天领域的各方面（复合固体推进剂、热管理和智能光帆等）前沿领域的应用现状。石墨烯及其复合材料的制备已得到较快发展。其中，石墨烯在复合固体推进剂中的应用目前主要集中在提高推进剂含能组分的热分解和燃烧性能方面，而在导热和力学性能方面的研究则相对较少，且制备方法单一，以简单的共混为主，缺乏针对性的设计和性能的控制。而且对石墨烯的性能增强机理缺乏深入的分析。在热管理方面，导热系数、产炭性能和纳米颗粒分散对聚合物纳米复合材料的烧蚀性能和绝缘性能都有影响。酚醛树脂仍然是这一应用中被广泛研究的聚合物，纳米陶瓷颗粒与碳基的复合纳米填料的结合似乎是下一个热管理趋势。此外，在太空电力推进领域，新型石墨烯基纳米材料和微电子机械系统支持的离子液体推进器解决方案，这是为微加工和纳米结构推进器阵列的实现提出了方案。另外，一种可能的低成本，高时效的纳米制造工艺，用于飞机储能和生命支持设备。与传统解决方案相比，这些纳米复合材料应用了纳米材料的整合，并与太空任务和探索计划相结合，可以节省成本和时间。石墨烯在很多领域的研究仍处于探索阶段，石墨烯材料在极端环境中的行为将扩大我们的基本理解和潜在应用，将促进人类在太空的探索。石墨烯基纳米材料未来的研究重点需要着眼于以下几个方向：（1）一种降低开发成本的潜在解决方案是创新材料-建模和模拟与实验测试和表征方法相结合，可以降低开发和鉴定成本。将有助于跨越纳米工程材料的性能转化为宏观尺度上的现实。（2）大规模构造石墨烯材料的集成方法，以保持在石墨烯纳米尺度上注意到的性能和批量实现。它们占地面积小，功耗低，耐辐射，非常适合太空应用。（3）将纳米石墨烯材料集成到最先进类型的电力推进装置中，利用纳米材料的独特特性，提高其效率和使用寿命。另外，进一步创造出一个自适应（自清洁表面，自愈合修复机制，自我愈合）推进器。

摘要：石墨烯具有目前已知材料中最高的热导率，在电子器件、信息技术、国防军工等领域具有良好的应用前景。石墨烯导热的理论和实验研究具有重要意义，在最近十年间取得了长足的发展。本文综述了石墨烯本征热导率的研究进展及应用现状。首先介绍应用于石墨烯热导率测量的微纳尺度传热技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后展示了石墨烯热导率的理论研究成果，并总结了石墨烯本征热导率的影响因素。随后介绍石墨烯在导热材料中的应用，包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的成果进行总结，提出目前石墨烯热传导研究中存在的机遇与挑战，并展望未来可能的发展方向。关键词：石墨烯；热导率；声子；热界面材料；悬空热桥法；尺寸效应1 引言石墨烯是具有单原子层厚度的二维材料，因为其独特的电学、光学、力学、热学性能而备受关注。相对于电学性质的研究，石墨烯的热学性质研究起步较晚。2008年，Balandin课题组用拉曼光谱法第一次测量了单层石墨烯的热导率，观察发现石墨烯热导率最高可达5300 W∙m−1∙K−1，高于石墨块体和金刚石，是已知材料中热导率的最高值，吸引了研究者的广泛关注。随着理论研究的深入和测量技术的进步，研究发现单层石墨烯具有高于石墨块体的热导率与其特殊的声子散射机制有关，成为验证和发展声子导热理论的重要研究对象。对石墨烯热导率的研究很快对石墨烯在导热领域的应用有所启发。随着石墨烯大规模制备技术的发展，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜热导率可达~2000 W∙m−1∙K−1。高导热石墨烯膜的热导率与工业应用的高质量石墨化聚酰亚胺膜相当，且具有更低成本和更好的厚度可控性。另一方面，石墨烯作为二维导热填料，易于在高分子基体中构建三维导热网络，在热界面材料中具有良好应用前景。通过提高石墨烯在高分子基体中的分散性、构建三维石墨烯导热网络等方法，石墨烯填充的热界面复合材料热导率比聚合物产生数倍提高，并且填料比低于传统导热填料。石墨烯无论作为自支撑导热膜，还是作为热界面材料的导热填料，都将在下一代电子元件散热应用中发挥重要价值。本文综述了石墨烯热导率的测量方法、石墨烯热导率的研究结果以及石墨烯导热的应用。首先介绍石墨烯的三种测量方法：拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后介绍石墨烯热导率的测量结果，包括其热导率的尺寸依赖、厚度依赖以及通过缺陷、晶粒大小等热导率调控方法。随后介绍石墨烯导热的应用，主要包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯导热填料在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的发展进行展望。2 石墨烯热导率的测量方法由于石墨烯的厚度为纳米尺度，商用的测量设备(激光闪光法、平板热源法等)无法准确测量其热导率，需要采用微纳尺度热测量方法。常见的微纳尺度传热测量技术包括拉曼光谱法、悬空热桥法、3𝜔法、时域热反射法等几种。下面将重点介绍适用于石墨烯的热导率测量方法。2.1 拉曼光谱法单层石墨烯热导率是研究者最感兴趣的话题。2008年，Balandin课题组最早用拉曼光谱法测量了单层石墨烯的热导率。单层石墨烯由高定向热解石墨(HOPG)经过机械剥离法得到，悬空于刻有沟槽的SiNx/SiO2基底上，悬空长度为3 μm。测量时，选用拉曼光谱仪中波长为488 nm的激光同时作为热源和探测器，光斑大小为0.5–1 μm。激光对石墨烯产生加热作用导致石墨烯温度升高，而石墨烯拉曼光谱的G峰和2D峰随温度产生线性偏移，从而可以得到石墨烯的升温。利用热量在平面内径向扩散的傅里叶传热方程，可以得到石墨烯的平面方向内热导率。通过这一方法，测得石墨烯热导率测量结果为（5300 ± 480） W∙m−1∙K−1，是已知材料中热导率的最高值。拉曼光谱法第一次实现了单层石墨烯热导率的测量，但是其测量过程中存在较大的误差，导致不同测量结果存在差异：材料热导率由傅里叶传热方程计算得到，其中材料的吸收热量Q和升温ΔT两个参数都难以准确测量。首先，测量过程中采用了石墨块体的光吸收6%作为吸热计算的依据，与单层石墨烯在550 nm的光吸收率2.3%存在较大差异，导致测量结果可能被高估一倍左右。其次，升温ΔT通过石墨烯拉曼光谱G峰和2D峰的红移或反斯托克斯/斯托克斯峰强比计算得到，两者随温度变化率较小，需要较高的升温(ΔT ~ 50 K)，导致难以准确测量特定温度下的热导率。基于拉曼光谱法，研究者不断改进测量技术，降低实验误差。在早期测量中由于石墨烯下方的SiNx基底热导率较低，约为5 W∙m−1∙K−1，在传热模型中将SiNx视为热沉存在一定误差。后来，Cai等通过在带孔的SiNx/SiO2薄膜表面蒸镀Au的方式，提高了石墨烯的接触热导，满足了热沉的边界条件，同时用功率计实时测量了石墨烯的吸收功率。同时，由于石墨烯覆盖在SiNx/SiO2薄膜上有孔和无孔的区域，可以分别测量悬空石墨烯和支撑石墨烯的热导率。张兴课题组使用双波长闪光拉曼方法，引入两束脉冲激光，周期性地加热样品并改变加热光与探测光的时间差，这样做可以将加热光和探测光的拉曼信号分开，为准确测量样品温度提供了新思路。在后续的研究中，拉曼光谱法也被应用于h-BN、MoS2、WS2等二维材料热导率的测量。2.2 悬空热桥法悬空热桥法是利用微纳加工方法制备微器件并测量纳米材料一维热输运的常用方法，多用于纳米线、纳米带、纳米管热导率的测量。微器件由两个SiNx薄膜组成，每个SiNx薄膜连接在6个SiNx悬臂上，并且沉积有Pt电极用作温度计，两个薄膜分别作为加热器(Heater)和传感器(Sensor)，样品悬空加载薄膜上，电极通电后加热样品，通过电极电阻的变化测量样品的升温，从而计算热导率。Seol等最早将这一方法应用在石墨烯热导率的测量中，石墨烯被制备成宽度为1.5–3.2 μm，长度为9.5–12.5 μm的条带，覆盖在厚度为300 nm的SiO2悬臂上，两端连接在四个Au/Cr电极上作为温度计，测量得到SiO2衬底上的单层石墨烯热导率为600W∙m−1∙K−1。SiO2衬底上石墨烯热导率低于悬空石墨烯热导率及石墨热导率，是因为ZA声子和衬底间存在较强的声子散射。悬空热桥法的挑战在于如何将石墨烯悬空于微器件上，避免转移过程中出现石墨烯脱落、破碎的问题 。Li 课题组通过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护转移法首先实现了少层石墨烯热导率的测量：首先将机械剥离法得到的少层石墨烯转移到SiO2/Si衬底上，然后旋涂PMMA作为保护层，用KOH溶液刻蚀SiO2并将PMMA/石墨烯转移至悬空热桥微器件上，再利用PMMA作为电子束光刻的掩膜版，通过O2等离子体将石墨烯刻蚀成指定大小的矩形进行测量。Shi课题组利用异丙醇提高了石墨烯的转移效率，测量了悬空双层石墨烯的热导率。Xu等进一步改良了实验工艺，通过“先转移，后制备悬空器件”的方法实现了单层石墨烯热导率的测量：首先将化学气相沉积(CVD)生长的单层石墨烯转移到SiNx衬底上，再利用电子束光刻和O2等离子体将石墨烯刻蚀成长度和宽度已知的条带，然后沉积Cr/Au在石墨烯两端作为电极，最后用KOH溶液刻蚀使其悬空。这一方法的优势在于避免了PMMA造成污染，但是对操作和工艺都提出了很高的要求。悬空热桥法也被应用于h-BN、MoS2、黑磷等二维材料热导率的测量。基于悬空热桥法，李保文课题组进一步发展了电子束自加热法，利用电子束照射样品产生加热，消除通电加热体系中界面热阻造成的误差。2.3 时域热反射法时域热反射法(Time-domain thermoreflectance，TDTR)是一种以飞秒激光为基础的泵浦-探测(pump-probe)技术，由Cahill课题组于2004年基于瞬态热反射方法提出，常用来测量材料的热导率和界面热导。在时域热反射法测量中，一束脉冲飞秒激光被偏振分束镜分为泵浦光和探测光，泵浦光对待测材料进行加热，探测光测量材料表面温度的变化。泵浦光和探测光之间的光程差通过位移台精确控制，并在每一个不同光程差的位置进行采样，得到材料表面温度随时间变化的曲线，这一曲线与材料的热性质有关。通过Feldman多层传热模型进行拟合，得到材料的热导率。实际测量中 通 常 在 材 料 表 面 沉 积 一 层 金 属 作 为 传 热 层(transducer)，利用金属反射率(R)随温度(T)的变化关系(dR/dT)，通过探测金属反射率的变化检测材料表面温度变化。时域热反射方法的优点在于能够同时测量材料沿c轴和平面方向的热导率，并且能够得到不同平均自由程声子对于热导率的贡献。Zhang等利用这一方法同时测量了石墨烯沿ab平面和c轴方向的热导率，发现石墨烯沿c轴方向的声子平均自由程在常温下可达100–200 nm，远高于分子动力学预测的结果。测量不同厚度的石墨烯(d = 24–410nm)表现出c轴方向热导率随厚度增加而增加的现象，常温下的热导率为0.5–6 W∙m−1∙K−1，并且随着厚度增加而趋近于石墨块体的c轴热导率(8 W∙m−1∙K−1) 。这一现象反映出，在常温下石墨烯c轴方向热导率是由声子-声子散射主导，为探讨石墨烯的传热机理提供了实验支撑。时域热反射方法的局限在于难以测量厚度较小的样品，这是因为当热流在穿透样品后到达基底，需要将基底与样品之间的界面热阻、基底的热导率作为未知数在传热模型中进行拟合，造成误差较大。对于块体石墨，时域热反射方法测量平面方向热导率为1900 ± 100 W∙m−1∙K−1，与Klemens的预测结果一致。对于厚度为194 nm的薄层石墨，测量热导率为1930 ± 1400 W∙m−1∙K−1，误差明显增大。Feser等通过调控光斑尺寸改变传热模型对石墨平面方向传热的敏感度，利用beam offset方法测量了HOPG热导率。Rodin等将频域热反射(FDTR)与beamoffset的方法结合起来，同时准确测量了HOPG的纵向和横向热导率。Chen课题组发展了无传热层(transducer less)的二维材料热导率测量方法，这种方法既可以采取FDTR频域扫描的测量方式，也可以与beam-offset方法结合，提高对平面方向热导率测量的准确度。这些测量方法为薄层材料热导率测量提供了可能的技术路径，即通过对待测样品的物理结构设计(transducerless)和传热模型设计(调控光斑尺寸与测量频率)，选择性地增加对平面方向热导率的敏感度，使得即便在样品很薄、热流穿透的情况下，多引入的未知数在传热模型内具有较小的敏感度，从而实现少层/单层石墨烯平面方向热导率的测量。时域热反射法也被应用于黑磷、MoS2、WSe2等二维材料热导率的测量。基于时域热反射方法发展出频域热反射(FDTR)、two-tint、时间分辨磁光克尔效应(TR-MOKE)等测量方法以提高测量准确度。以上主要总结了石墨烯热导率的常用微纳尺度测量技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法，不同方法的主要测量结果汇总于表1。表 1 石墨烯热导率测量主要研究结果值得注意的是，部分悬空热桥法测量的热导率显著偏低，是由于PMMA污染抑制了石墨烯声子散射。当样品厚度在微米尺度时，可通过激光闪光法进行测量，这种方法常用于块体石墨和湿化学方法制备的石墨烯薄膜，对于经过热处理还原和石墨化的石墨烯薄膜，激光闪光法测量热导率在1100–1940 W∙m−1∙K−1，热导率的差别主要来自石墨烯薄膜的制备工艺。受限于篇幅，我们将四种测量方法的示意图及主要原理汇总于图1，关于微纳尺度热测量的详细总结可参考相应综述文章。图 1 常见热测量方法示意图3 石墨烯热导率的研究进展石墨烯的热传导主要由声子贡献。和金刚石类似，石墨烯在平面方向由强化学键C―C键构成，并且由于碳原子较轻，具有极高的声速，从而在平面方向具有和金刚石相当的热导率(~2000W∙m−1∙K−1) 。关于石墨烯热传导的主要声子贡献来源，学界的认知随着研究的更新而发生变化。最早，人们预期石墨烯传热主要由纵向声学支(LA)和横向声学支(TA)贡献，这两支声子的振动平面都是沿石墨的ab平面方向。这样的预期是合理的，因为另一支横向声学支(ZA)声子的振动平面垂直于ab平面，而石墨烯作为单原子层材料，垂直平面的振动困难。而且ZA声子的色散关系是~ω2，在q →0时声速迅速减小为0，因而对石墨烯热导率几乎不产生贡献。后来，Lindsay等7通过对玻尔兹曼方程进行数值求解发现，由于单层石墨烯的二维材料特性，三声子散射中与ZA声子关联的过程受到抑制，这一规则被称为“选择定则(Selection rule)”。基于这一原因，ZA声子散射的相空间减小了60%；同时，考虑到ZA声子的数量较多，ZA声子实际成为了单层石墨烯中热导贡献最大的一支，占比约为70%。随着计算方法的进步，研究者对石墨烯中声子传导的理解逐步加深。Ruan课题组在考虑四声子散射的条件下计算了单层石墨烯的热导率，由于ZA声子数量多，导致由ZA声子参与的四声子散射过程多，通过求解玻尔兹曼输运方程(BTE)发现，ZA声子对于单层石墨烯热导率的贡献实际约为30%。Cao等通过分子动力学计算发现，考虑高阶声子散射时ZA声子对石墨烯热导率的贡献将降低。另外，第一性原理计算表明石墨烯中存在水动力学热输运和第二声现象，以及实验测量和分子动力学计算中发现石墨烯存在的热整流现象，都使得石墨烯的声子输运研究不断更新。下面针对理想的单层石墨烯单晶材料讨论其热导率的依赖关系。3.1 石墨烯热导率的厚度依赖石墨烯作为单原子层材料，表现出不同于石墨块体的声子学特征。很自然地产生一个问题，随着石墨烯的原子层数增加，石墨烯会以何种形式、在何种厚度表现出接近石墨块体的热学性质。前文Lindsay等的工作从计算角度给出了解释，在多层石墨烯和石墨中，三声子散射与原子间力常数的关系不同于单层石墨烯，导致选择定则不再适用，ZA声子的散射变大，热导率下降。这一趋势可以从图2a中明显观察到，当石墨烯的厚度从单原子变为双原子层时，ZA声子贡献的热导率大幅下降，石墨烯整体热导率降低。随着原子层数目增加，热导率持续下降。对于原子层数在5层及以上的石墨烯，其热导率已十分接近石墨块体。这一趋势也与Ghosh等对悬空石墨烯热导率的测量结果一致，在原子层数超过4层之后，石墨烯热导率接近块体石墨(图2c)。而对于放置在基底上的支撑石墨烯和上下均有基底的夹层石墨烯(Encased)，热导率随层数变化没有明显规律，这主要是因为ZA声子与基底相互作用，对热导率的贡献低于悬空石墨烯，而ZA声子与基底相互作用的强度随原子层数增加而变化，导致热导率随层数变化表现出不同规律(不变或增大) 。研究石墨烯本征热导率仍需对少层及单层石墨烯热导率进行测量，对样品制备和实验测量都具有很大挑战。图 2 石墨烯热导率的尺寸效应3.2 石墨烯热导率的横向尺寸依赖由傅里叶传热定律，材料热导率，其中Cv为材料体积比热容，v为声子群速度，l为声子平均自由程。对于给定的温度，热容与声速均为定值，因而材料热导率主要由声子平均自由程决定。通常情况下，块体材料在三个维度上的尺寸都远大于声子平均自由程，声子为扩散输运，声子平均自由程主要由声子-声子散射确定，是材料固有的性质，表现出热导率与横向尺寸无关。但是对于石墨烯而言，由于制备待测样品的长度在微米级，与平面内声子平均自由程相当，存在弹道输运现象，表现出石墨烯的热导率与横向尺寸存在依赖关系。石墨烯平面方向声子平均自由程可通过计算得到。Nika等通过第一性原理计算分别对LA和TA声子求得Gruneisen参数，得到石墨烯平面方向声子平均自由程在10 μm左右，即石墨烯尺寸小于10 μm时会表现出明显的热导率随尺寸增加而增加现象(图2b)。后续计算表明，在考虑三声子过程和声子-边界散射角度的情况下，石墨烯热导率在横向尺寸L小于30 μm时遵循log(L)增加的规律，在横向尺寸为30 μm左右时达到最大值，并随横向尺寸增加而下降。检验计算结果需要对不同尺寸的单层石墨烯进行热导率测量，这对实验操作的精细度提出了极高要求。Xu等利用悬空热桥法测量了不同长度(300–9 μm)的单层石墨烯热导率，观察到其热导率随长度增加而单调增加。测量结果与分子动力学预测的热导率随长度以log(L)趋势增加的结果相符，证明了石墨烯作为二维材料的热性质(图2d)。但是作者也没有排除另外两种可能：(1)低频声子随尺寸增加而被激发，对传热贡献较大；(2)石墨烯尺寸增加改变三声子散射的相空间，影响选择定则7。由于石墨烯作为二维材料的特性，以及声子平均自由程较大、热导率较高，仍然需要进一步的理论和实验探究以深入挖掘石墨烯热导率随横向尺寸变化的物理原因。在实际应用的单晶及多晶石墨烯材料中，热导率的影响因素还包括晶粒尺寸、缺陷、同位素、化学修饰等，相关研究及综述已有报道。4 石墨烯导热的应用上一节中介绍了石墨烯具有本征的高热导率，从理论计算和实验测量中均得到了验证。上述实验测量中，研究者往往采用机械剥离法和CVD法制备石墨烯，这两种方法制备的样品具有质量高、可控性强的特点，适用于研究石墨烯的本征性质。但是，由于机械剥离法和CVD法制备石墨烯具有产量低、制备周期长、难以规模化等特点，不适用于石墨烯的宏量制备。相对应地，通过还原氧化石墨烯、电化学剥离等湿化学方法可以大批量制备石墨烯片，石墨烯片通过片层间的化学键作用可形成石墨烯膜、石墨烯纤维、石墨烯宏观体等三维结构，从而可实际应用于导热场景。4.1 高导热石墨烯膜的应用石墨烯薄膜可用作电子元件中的散热器，散热器通常贴合在易发热的电子元件表面，将热源产生的热量均匀分散。散热器通常由高热导率的材料制成，常见散热器有铜片、铝片、石墨片等。其中热导率最高、散热效果最好的是由聚酰亚胺薄膜经石墨化工艺得到的人工石墨导热膜，平面方向热导率可达700~1950 W∙m−1∙K−1， 厚度为10~100 μm，具有良好的导热效果，在过去很长一段时间内都是导热膜的最理想选择。在此背景之下，研究高导热石墨烯膜有两个重要意义，其一，是由于人工石墨膜成本较高，且高质量聚酰亚胺薄膜制备困难，业界希望高导热石墨烯膜能够作为替代方案。其二，是由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案不仅要求导热膜具有较高的热导率，也要求导热膜具有一定厚度，以提高平面方向的导热通量。在人工石墨膜中，由于聚酰亚胺分子取向度的原因，石墨化聚酰亚胺导热膜只有在厚度较小时才具有较高的热导率。而石墨烯导热膜则易于做成厚度较大的导热膜(~100 μm)，在新型电子器件热管理系统中具有良好的应用前景。因此，石墨烯导热膜的研究也主要沿着两个方向，其一，是提高石墨烯导热膜的面内方向热导率，以接近或超过人工石墨膜的水平。其二，是提高石墨烯导热膜的厚度，扩大导热通量，同时保持良好的热传导性能。以下将从这两方面分别讨论。4.1.1 提高石墨烯膜热导率的关键技术高导热石墨烯薄膜的常见制备方法是还原氧化石墨烯。首先通过Hummers法得到氧化石墨烯(GO，graphene oxide)分散液，然后通过自然干燥、真空抽滤、电喷雾等方法得到自支撑的氧化石墨烯薄膜，并通过化学还原、热处理等方法得到还原氧化石墨烯(rGO)薄膜，最后通过高温石墨化提高结晶度，得到高导热石墨烯薄膜。影响高导热石墨烯膜热导率最重要的因素是组装成膜的石墨烯片的热导率，主要由氧化石墨烯的还原工艺决定。由于氧化石墨烯分散液的制备通常在强酸条件下进行，破坏石墨烯的平面结构，同时引入了环氧官能团，造成声子散射增加。氧化石墨烯的还原工艺对还原产物的结构、性能影响较大，因而需要选择合适的还原工艺制备石墨烯导热膜。氧化石墨烯膜在1000 ℃热处理后可以除去环氧、羟基、羰基等环氧官能团，但是石墨烯晶格缺陷的修复仍需更高温度。Shen等通过自然蒸干的方式制备了氧化石墨烯薄膜，并通过2000 ℃热处理的方式对氧化石墨烯薄膜进行石墨化，C/O原子比由石墨烯薄膜的2.9提高到石墨化后的73.1，X射线衍射(XRD)图谱上石墨烯薄膜11.1°峰完全消失，26.5°的峰宽缩窄，对应石墨(002)方向上原子层间距为0.33 nm，测量热导率为1100 W∙m−1∙K−1，热导率优于由膨胀石墨制备的石墨导热片。Xin等用电喷雾方法制备大尺寸氧化石墨烯薄膜并在2200 ℃下高温还原，得到热导率为1283 W∙m−1∙K−1的石墨烯导热膜，通过SEM截面图观察发现具有紧密的片层排列结构，且具有较好的柔性。通过拉曼光谱、XPS和XRD表征可以看出，2200 ℃为氧化石墨烯还原的最适宜温度，当还原温度更高时，石墨烯的电导率和热导率提升不再显著(图3)。4.1.2 提高石墨烯膜厚度的关键技术制备较厚的石墨烯导热膜也是研究者关心的课题。理论上讲，增加石墨烯膜的厚度只需刮涂较厚的氧化石墨烯薄膜即可。但实际操作中存在如下问题：(1)刮涂厚膜的成膜质量不高。由于氧化石墨烯分散液的浓度较低(低于10% (w))，除氧化石墨烯外其余部分均为水，需要长时间蒸发。氧化石墨烯片层与水分子以氢键相互作用，蒸发时水分子逸出，使得氧化石墨烯片层之间通过氢键形成交联，在表面形成一层“奶皮”状的薄膜。这层薄膜使氧化石墨烯分散液内部的水分蒸发减慢，且导致氧化石墨烯片层取向不一致，降低成膜质量。(2)难以通过一步法得到厚膜。由于氧化石墨烯分散液浓度较低，无论刮涂、旋涂还是喷雾等方法都无法一次制备厚度为~100 μm的氧化石墨烯薄膜。Luo等研究发现，氧化石墨烯薄膜在蒸干成形后仍然可以在去离子水浸润的情况下相互粘接，出现这种现象是因为氧化石墨烯片层在水的作用下通过氢键彼此连接，使得氧化石墨烯薄膜可以像纸一样进行粘贴起来。Zhang等利用类似的方法将制备好的氧化石墨烯薄膜在水中溶胀并逐层粘贴，经过干燥、热压、石墨化、冷压之后，得到厚度为200 μm的超厚石墨烯薄膜，热导率为1224 W∙m−1∙K−1，通过红外摄像机实测散热效果优于铜、铝及薄层石墨烯导热膜(图4)。目前制备百微米厚度高导热石墨烯薄膜的研究相对较少，除了溶胀粘接的方法之外，还可以通过电加热、金属离子键合等方法实现氧化石墨烯薄膜的搭接，有望为制备百微米厚度高导热石墨烯膜提供新思路。石墨烯导热膜的部分研究成果总结于表2中。图 4 百微米厚度石墨烯导热膜的制备、表征与热性能测试

2019年9月20至22日在山西煤炭化学研究所举办了第七届石墨烯青年论坛，石墨烯青年论坛于2013年发起，至今已成功举办六届，分别由浙江大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、上海应用技术大学与上海交通大学（合办）、中国科学院兰州化学物理研究所举办。今年由中国科学院山西煤炭化学研究所主办，重点交流最近一年来青年科学家在石墨烯领域的最新研究进展。此届石墨烯青年论坛参会人数百余人，石墨烯青年论坛已发展成为国内石墨烯领域颇具特色和影响力的专业学术会议，弗尔德仪器携旗下有幸参与此次盛会，与该研究领域的优秀中青年科学家共同学习和交流。 参会嘉宾合影留念 在论坛大会上，首先由中科院金属所的成会明院士为大会致辞，并带来“研究中的简单美”—石墨烯研究的几个实例为题的报告，第二个是中科院山西煤化所的房倚天副所长为大会致辞，清华大学深圳研究生院的康飞宇老师为大家做“天然石墨深加工与石墨烯粉体制备技术”为题的报告，与现场石墨烯领域的中青年学者和专家进行了深入交流和经验分享。 小知识石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率只约10-6 Ωcm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[5][1]。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 热处理CarboliteGero（卡博莱特盖罗）是弗尔德科学仪器事业部制造实验室和工业马弗炉、烘箱的专业品牌，加热温度范围30-3000℃。在石墨烯行业中，CarboliteGero具有丰富的行业应用经验，是全球知名的热处理炉供应商。卡博莱特?盖罗Carbolite ? Gero高温管式炉HTRH，可在水平位置上操作，最高温度可达1800°C。凭借多种多样的配件，HTRH系列在高温范围内可提供完整的系统解决方案。 研磨粉碎德国RETSCH（莱驰）强大、灵活的行星式球磨仪PM100满足快速将样品研磨至亚微米级的所有要求，并且保证结果具有可重复性。常被用来做高难度样品研磨，从常规的样品处理到胶体研磨和机械合金。行星球磨仪超高的离心力带来极大的粉碎能量，因此所需研磨时间非常短，可将样品研磨到纳米级的细度。 粒度粒形分析Camsizer X2采用了更高分辨率的光学系统，提供更多的分析模块可选。CamsizerX2可选的X-Fall、X-Jet和X-Flow三种模块可让您根据不同的应用和要求进行分析，由于具有足够的进样量也不受其他因素（如折射率）影响，Camsizer X2还能够准确测量到粉体的整体形态信息，比如球形度、对称性等。 元素分析仪德国Eltra（埃尔特）能够对固体样品中C/H/O/N/S元素进行精准分析。新的ELEMENTRAC CS-d是一台可靠，精准，耐用的燃烧法碳硫元素分析仪。红外检测池配置灵活，C,S测量范围宽泛，从ppm级一直到100%。ELEMENTRAC CS-d针对有机和无机样品中C,S的测量，一台仪器整合了两种炉体，即高频感应炉和电阻炉。

热分析是测量材料热力学参数或物理参数随温度变化的关系，并对这种关系进行分析的技术方法。对材料进行热分析的意义在于：材料热分析能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、升华、吸附、脱水、分解等变化，在表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛的应用。由于热性能是材料的基本属性之一，对材料进行热分析可以鉴别材料的种类，判断材料的优劣，帮助材料与化学领域的产品研发，质检控制与工艺优化等。既然热分析是对材料进行质量控制的重要技术手段，那么热分析到底是如何进行的呢？根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热分析方法共分为九类十七种，而常用的热分析方法（如下图所示）包括：差示扫描量热(DSC)、热重分析（TGA）、导热系数测试、热机械分析(TMA)、动态热机械分析(DMA)等5种方法。根据不同的热分析方法采用不同的热分析仪器设备，对材料的热量、重量、尺寸、模量/柔量等参数对应温度的函数进行测量，从而获得材料的热性能。接下来，让我们简单了解一下这5种热分析方法：（1）差示扫描量热（DSC）差示扫描量热法（DSC）为使样品处于程序控制的温度下，观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间的函数。材料的固化反应温度和热效应测定，如反应热，反应速率等；物质的热力学和动力学参数的测定，如比热容，转变热等；材料的结晶、熔融温度及其热效应测定；样品的纯度等。（2）热重分析（TGA）热重分析法（TGA）用来测量样品在特定气氛中，升温、降温或等温条件下质量变化的技术。主要用于产品的定量分析。典型的TGA曲线可以提供样品易挥发组分(水分、溶剂、单体)的挥发、聚合物分解、炭黑的燃烧和残留物(灰分、填料、玻纤)的失重台阶。TGA这种方法可以研究材料和产品的分解，并得出各组分含量的信息。TGA曲线的一阶导数曲线是大家熟知的DTG曲线，它与样品的分解速率成正比。在TGA/DSC同步测试中，DSC信号和重量信息可以同时记录。这样就可以检测并研究样品的吸放热效应。下图中的黑色曲线为PET的TGA曲线，绿色为DTG曲线。下面的为在氮气气氛下的DSC曲线。右侧红色的DSC曲线显示了玻璃化转变、冷结晶和熔融过程。在测试过程中的DSC信号 (左)可以用样品质量损失进行修正。蓝色为未修正的DSC曲线，红色为因质量损失而修正的曲线。图 使用TGA/DSC(配备DSC传感器)测试的PET曲线分解过程中，化学骨架和复杂有机组分或聚合物分解形成如水、CO2或者碳氢化合物。在无氧条件下，有机分子同样有可能降解形成炭黑。含有易挥发物质的产品可以通过TGA和傅里叶红外(FTIR)或者质谱联用来判定。（3）导热系数测试对于材料或组分的热传导性能描述，导热系数是最为重要的热物性参数。LFA激光闪射法使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程，得到温度升高对时间的关系曲线，并计算出所需要的参数。稳态热流法热流法（HFM）作为稳态平板法的一种，可用于直接测量低导热材料的导热系数。（4）热机械分析(TMA)热机械分析，指在使样品处于一定的程序温度下和非震动载荷作用下，测量物质的形变与温度时间等函数关系的一种技术，主要测量材料的膨胀系数和相转变温度等参数。一条典型的TMA曲线表现为在玻璃化转变温度以下的膨胀、玻璃化转变(曲线斜率的变化)，玻璃化转变温度以上的膨胀和塑性变形。测试可以以膨胀模式、穿透模式或者DLTMA模式(动态负载TMA模式)进行。膨胀模式的测试目的是表征样品的膨胀或收缩。基于这个原因，仅使用较小的力来保证探头和样品接触完好。测试的结果就是热膨胀系数。下图是0.5mm的样品夹在2片石英盘之间测试的膨胀曲线。样品先在仪器中升温至90˚C消除热历史。冷却至室温后，再以20K/min的升温速率从30˚C升温到250˚C，测试的探头为圆点探头，同时探头上施加很小的力0.005N。图2中上部的曲线显示样品在玻璃化转变之前有很缓慢的膨胀。继续升温，膨胀速率明显加快，这是因为在样品在经历玻璃化转变后分子的运动能力提高。之后冷结晶和重结晶发生，样品收缩。高于150˚C样品开始膨胀直至熔融。熔融伴随着样品粘度降低和尺寸减小。图 膨胀模式测试的PET的TMA曲线穿透模式主要给出温度相关的信息。样品的厚度通常不是很重要，因为探头与样品的接触面积在实验中持续变化。刺入深度受加载的力和样品几何形状的影响。在穿透模式测量中，把0.5mm厚的样品放在石英片上，圆点探头直接与样品接触。试验条件为从30˚C升温到300˚C，升温速率20K/min，加载力0.1和0.5N。这时样品未被刺入。在穿透测试过程中，探头一点一点地刺入样品。纵坐标信号在玻璃化转变发生时明显的减小，冷结晶发生时保持基本不变，到熔融又开始减小(图下图)。图 TMA穿透模式测试PETDLTMA是一种高灵敏度测试物理性能的方法。和DSC相比，它可以描述样品的机械行为。在DLTMA模式下，加载在样品上的力以给定频率高低切换。它可以测试出样品中微弱的转变，膨胀和弹性(杨氏模量)。样品刚度越大，振幅越小。图4测试的样品玻璃化转变在72˚C，之后为液态下的膨胀。振幅大是因为样品太软。然后会出现冷结晶，PET收缩，振幅开始减小。140˚C，样品重新变硬，继续膨胀直至160˚C。图 DLTMA（动态负载TMA模式）测试PET（5）动态热机械分析(DMA)使样品处于程序控制的温度下，并施加单频或多频的振荡力，研究样品的机械行为，测定其储能模量、损耗模量和损耗因子随温度、时间与力的频率的函数关系。热分析技术的实际应用热分析技术在材料领域应用广泛，如高分子材料及制品（塑料、橡胶、纤维等）、PCB/电子材料、金属材料及制品、航空材料、汽车零部件、复合材料等领域。下面通过我们实验室技术工程师做的两个热分析测试案例来展示它的应用：1.高分子材料的热裂解测试玻纤增强PA66主要应用于需要高刚性和尺寸稳定性的机械部件护罩。玻纤含量影响到制件的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度等力学性能。2.PCB板的爆板时间测量将样品升温到某一温度后，保持该温度并开始计时，样品发生爆板现象的时刻与保温初始时刻的时间间隔为爆板时间。其实，对于不同的材料和关注点的不同，我们所采用的热分析方法也存在差异，通常会根据实际样品情况和测试需求来选择不同的分析方法。例如，高分子材料：想要了解它的特征温度、耐热性等性能，要用DSC分析；想要了解它的极限耐热温度、组份含量、填料含量等，要用TGA分析。

中科院上海硅酸盐所购买的我公司独家代理的加拿大MATHIS公司生产的专利型快速导热系数测定仪已于2006年12月安装完毕投入实验使用。该仪器可进行实验室及现场应用，可快速方便地测定固体、液体、粉沫、薄膜及粘稠物等多种不同材料的导热系数，热传导率及比热（需其它参数配合）精度为世界上最高，准确度优于5%，测试一个样品时间约为10-15分钟（包括冷却时间8-10分钟）。已有感兴趣的其它用户去参观了解该仪器。

引言石墨烯是由sp2杂化的单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，是古老的碳材料家族的新成员，拥有无与伦比的物理化学性质。石墨烯有两种基本形态。一种是石墨烯粉体，通常由数十纳米到数十微米的微小石墨烯片堆积而成；另一种是通过碳源高温裂解反应生成的连续态石墨烯薄膜。存在形态不同，性质差异很大，用途也完全不同。石墨烯纤维是近年来发展起来的新的石墨烯形态，通常从氧化石墨烯粉体出发，经有序组装、 化学还原、高温处理等工艺制得。石墨烯纤维的结构比较复杂，作为初始结构单元的氧化石墨烯微片通过化学还原和高温化学反应形成准连续的石墨烯薄膜，其片层间的堆垛结构依处理工艺差别很大。从堆垛结构上看，石墨烯纤维接近传统石墨；而从宏观形态上看，它类似于碳纤维。石墨烯粉体通过与高分子复合，可在一定程度上改善高分子材料的力学、电学乃至热学性能，派生出一类石墨烯/高分子复合材料。 理论上讲，高温外延生长而成的连续态单晶石墨烯薄膜最能体现石墨烯的本征优异特性，如超高载流子迁移率、极高的热导率以及超强的力学强度等。这种连续态石墨烯薄膜通常生长在铜、镍等金属表面，金属的作用是降低碳源裂解温度和石墨化温度。金属材料具有很好的导电性和导热性，原子级厚度的石墨烯的优良导电、导热特性会淹没在宏观厚度的金属生长衬底贡献的电子汪洋大海背景中。因此，在实际应用中，需要将石墨烯从金属生长衬底表面剥离下来，转移到目标支撑衬底上。实现单原子层厚度的石墨烯剥离转移无疑是一个巨大的技术挑战，从某种意义上讲，决定着连续态石墨烯薄膜的发展未来，这是制约石墨烯薄膜应用的瓶颈所在。超级蒙烯材料是本研究团队提出的新概念，为破解连续态石墨烯薄膜应用的剥离转移瓶颈提供了一个全新的解决方案。通过高温生长过程和巧妙的工艺设计，在传统材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，赋予传统材料全新的功能，让原子级厚度的石墨烯薄膜搭乘传统材料载体走进市场(图1)。不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷，这种直接生长的连续态石墨烯“蒙皮”最大程度地保存了石墨烯的本征特性，是普通石墨烯微片材料所无法比拟的。这也是冠之以“超级”的原因所在。需要强调指出的是，超级蒙烯材料体现了连续态石墨烯薄膜应用的新理念，借助传统材料衬底，解决了超薄石墨烯薄膜的无法自支撑问题，同时回避了金属衬底上薄膜生长的剥离转移难题。超级蒙烯材料是一类新型石墨烯复合材料，通过高温工艺实现石墨烯与传统材料的直接复合。例如，利用特殊设计的化学气相沉积工艺，在广泛应用的传统玻璃纤维表面生长石墨烯，即可得到新型“蒙烯玻璃纤维”材料。石墨烯蒙皮的存在赋予蒙烯玻璃纤维优良的导电性和导热性，为传统玻璃纤维带来全新的性能。尤其重要的是，纳米级到亚微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改变衬底材料的宏观形态，因此超级蒙烯材料具有工艺兼容性强的巨大优势，在不改变现役工程材料加工工艺的前提下发挥其独特的功能，可借力现役工程材料的广阔应用市场，将石墨烯薄膜推向实际应用。超级蒙烯材料是石墨烯家族的新成员，拥有丰富的内涵和广阔的发展空间。生长衬底材料的选择是发展超级蒙烯材料的关键所在。原理上讲，衬底材料需要耐受石墨烯生长所需要的高温条件，确保其本征特性不发生显著的改变。另一个重要条件是，能够找到可行的工艺路线实现石墨烯的直接生长。高品质连续态石墨烯的可控生长是实现其优异性能的重要前提。此外，衬底材料在工程领域已经获得广泛应用，以便为超级蒙烯材料提供更多可选择的应用场景。超级蒙烯材料可分为蒙烯非金属材料和蒙烯金属材料(图2)。蒙烯玻璃纤维是典型的蒙烯非金属材料。蒙烯氧化铝、蒙烯碳化硅以及蒙烯氮化硼等都是蒙烯非金属材料家族的重要成员。蒙烯金属材料通过在金属衬底上生长石墨烯获得，包括蒙烯铜、蒙烯镍、蒙烯铟、蒙烯锡、蒙烯钢等诸多种类。按照衬底材料的形态分类，超级蒙烯材料又可以细分为蒙烯箔材、蒙烯纤维、蒙烯粉体以及蒙烯泡沫等多种形态，构成琳琅满目的超级蒙烯材料家族。不同形态的超级蒙烯材料进行后加工处理或者与其他材料复合，将进一步丰富超级蒙烯材料家族的内涵。蒙烯玻璃纤维蒙烯玻璃纤维是超级蒙烯材料概念的第一个具体实例。通过高温化学气相沉积过程，在传统玻璃纤维表面生长连续态石墨烯薄膜，实现石墨烯与玻璃纤维的有机结合，是一类全新的石墨烯/玻璃纤维复合材料。玻璃纤维是广泛应用的传统工程材料，2019 年全球玻璃纤维产量约800万吨。我国是玻璃纤维生产大国，全球占比达65%以上。玻璃纤维兼具轻质、高强、耐高温、柔性等诸多优异性能，是国防军工、航空航天、风能发电、工程建筑等领域的重要基材，如飞机机身、火箭和导弹外壳、雷达罩等都采用玻璃纤维作为主要的复合材料增强体。蒙烯玻璃纤维继承了玻璃纤维的本征特性，同时赋予其高导电、高导热等新的性能(图3)。原子级厚度的石墨烯薄膜可搭乘传统玻璃纤维载体，走向实际应用，从而开辟出石墨烯材料应用的新天地。制备蒙烯玻璃纤维材料存在着诸多技术挑战。通常情况下，石墨烯的CVD生长会选择以铜、镍为代表的金属衬底。金属衬底具有催化活性，对于碳源前驱体的裂解、石墨烯成核、外延生长等基元过程有着良好的促进作用，有助于提升石墨烯的结晶质量、生长速率以及层数可控性。然而，玻璃纤维是非金属材料，催化活性很弱，因此碳源前驱体的裂解过程主要是热裂解。为了确保碳源前驱体充分裂解，CVD生长温度通常很高，这就要求玻璃纤维材料具有优异的高温稳定性。事实上，除石英纤维以外，普通玻璃纤维材料很难满足这 一苛刻的生长条件。在由C―O四面体骨架构成的非晶态玻璃纤维表面，活性碳物种的扩散势垒非常高，导致生长的石墨烯畴区尺寸很小，且取向不可控。通常情况下，玻璃纤维上生长的石墨烯 存在畴区尺寸小、缺陷密度高、层数可控性差、均匀性差、生长速率慢等问题。此外，与平面衬底上的CVD生长不同，玻璃纤维丝束及其织物的特殊结构形态也给传质和传热过程设计带来新的挑战。2013年以来，本研究团队一直致力于传统玻璃表面石墨烯的生长方法研究，发展了一系列创新性的高质量石墨烯生长方法，材料体系从平面玻璃到石英光纤，进一步拓展到玻璃(石英)纤维。针对玻璃纤维上的石墨烯生长问题，通过空间限域生长、生长助剂引入、碳源前驱体设计、衬底表面调控以及流场设计等手段，打破了玻璃纤维衬底在碳源裂解、石墨烯成核、层数控制、结晶质量以及均匀性等方面的局限性，实现了高质量蒙烯玻璃纤维丝束和织物的可控制备(图4)。例如，针对玻璃纤维织物表面上石墨烯大面积生长均匀性差的难题，发明了“互补性碳源生长法”，通过不同裂解温度的混合碳源设计，调控活性碳物种沿流场方向的浓度分布，制备出大面积均匀的蒙烯玻璃纤维织物。 蒙烯玻璃纤维的低成本和规模化制备是走向实际应用的前提。在放大的CVD生长系统中，大腔体内流场与热场的均匀性控制难度大幅增加，直接影响着石墨烯在玻璃纤维表面的生长质量、速 率、均匀性等关键指标，最终制约着材料生产的品质、产能与成本。在利用静态CVD系统制备大面积蒙烯玻璃纤维织物的过程中，活性碳物种沿流场方向的不均匀分布直接导致石墨烯的生长均匀度下降，进而造成生产良率的降低。同时，由于玻璃纤维的催化惰性，石墨烯的生长速率通常很低，因此成为制约产能提升和生产成本降低的关键因素。利用玻璃纤维织物轻质、柔性、高强度的特点，本团队设计了动态“卷对卷”规模化CVD生长系统，并对气体流场、生长区热场、温度控制系统、进料控制系统等关键模块进行了系统集成，研制出第一代蒙烯玻璃纤维织物规模化制备装备。在该系统中，玻璃纤维织物以均匀的速度连续传入CVD腔室内完成石墨烯的高温沉积生长，最大可能地保障织物表面不同位置都经历相同的流场与热场环境，从而大幅提升生长均匀性。目前，本团队已成功突破蒙烯玻璃纤维织物的放量制备工艺，建成了年产能10000平方米的中试生产示范线(图5)。需要指出的是，目前蒙烯玻璃纤维的生产成本仍然较高，尺寸、良率受限于装备制造技术与材料制备工艺，这也是蒙烯玻璃纤维材料制备领域的未来攻关重点。图5 蒙烯玻璃纤维织物的规模化制备。(a–c)动态“卷对卷”规模化制备系统；(d)蒙烯玻璃纤维织物实物照片Fig 5 Mass production of graphene-skinned glass fiber fabric. (a–c) Roll to roll growth system (d) Photographs of graphene-skinned glass fiber fabric.与物理涂覆方法制备的石墨烯/玻璃纤维复合材料不同，高温生长工艺既保证了石墨烯薄膜的连续性和高性能，又保证了石墨烯与玻璃纤维之间的强附着力。通过调控石墨烯的厚度，蒙烯玻璃纤维的面电阻可在1–5000Ω∙sq−1范围内调控。蒙烯玻璃纤维完美地结合了石墨烯和玻璃纤维的优良特性，是一种全新的柔性导电导热材料，有望成为电热转换领域的杀手锏级材料。研究表明，蒙烯玻 璃纤维织物拥有极为出色的电加热性能，在~9.3 Wꞏcm−2功率密度下，升温速率达~190 °C∙s−1，且达到饱和温度后的温度不均匀性 3% (20 cm × 15 cm)(图6) 。蒙烯玻璃纤维还具有优异的红外辐射性能，表现出良好的灰体辐射特性，红外发射率高达~0.92 35,36。与铁铬合金、镍铬合金等传统电加热材料相比，蒙烯玻璃纤维拥有超高的电热转换效率，实测数据高~94%。因此，作为新一代轻质、柔性的电热转换材料，蒙烯玻璃纤维在电加热、辐射热管理等领域拥有巨大的应用潜力。众所周知，高性能复合材料大量用于空天飞行器、武器装备、风机叶片等制造过程中，玻璃纤维则是其中重要的构成单元，已经形成成熟的复材加工和成型工艺。原理上讲，纳米级到亚微米级厚度的石墨烯薄膜的引入基本不会改变相关工艺流程，也不会影响玻璃纤维制件的内部结构与力学性能(图7)。因此，蒙烯玻璃纤维材料的一大优势是其良好的体系兼容性和工艺兼容性，这是其走向实际应用的巨大推力。 蒙烯玻璃纤维材料在飞行器的防除冰领域取得了巨大成功，显示出不可替代的独特优势。飞行器高速飞行过程中，机翼前缘、发动机进气道等关键位置的结冰一直是困扰航空领域的难题。目前，金属基电加热技术是实现防除冰的有效手段，其防冰效果好，除冰效率高，性能稳定。但是，传统金属基电热材料面临着高功耗、低柔性、不耐极端环境等问题。同时，基于飞行器轻量化的发展趋势，复合材料的使用比例不断攀升，玻璃纤维作为重要的复合材料基材在飞行器中已得到大量应用，随之而来的是金属基电加热防除冰材料与复合材料之间的结合强度和稳定性问题。蒙烯玻璃纤维的问世完美地解决了这一技术难题，尤其其良好的透波性能使其成为特种应用领域的杀手锏材料。蒙烯玻璃纤维是第一个实现实际应用的超级蒙烯材料，展示了超级蒙烯材料的巨大理论价值和广阔应用前景，为原子级厚度的石墨烯走向应用开辟了全新的路径，也为新型石墨烯基复合材料设计提供了新的思路。展望正如前述蒙烯玻璃纤维的具体案例，我们可以通过巧妙的载体选择和材料设计，架起连接理想的单层石墨烯基元到实用宏观材料的桥梁，实现石墨烯的优异特性向宏观实用场景的有效传递。在超级蒙烯材料设计和制备过程中，衬底材料的选择和预处理、石墨烯的可控生长、石墨烯—衬底的界面调控、后加工成型以及批量制备工艺与装备等极为关键，也是超级蒙烯材料走向应用的基础。由于超级蒙烯材料的多样性和复杂的电子声子耦合，这一全新的复合材料领域有可能孕育新的物理发现，催生新的技术创新，甚至引发新的产业革命。支撑衬底的选择是超级蒙烯材料设计的关键所在，决定着制备可行性、材料性能以及应用前景。支撑衬底可分为非金属和金属两大类别。上文详细介绍了蒙烯玻璃(石英)纤维材料。实际上，很多常见的非金属材料(如氧化铝、氮化硼、碳化硅等)表面，都有直接高温生长石墨烯的研究报道，这说明以这些材料为衬底的超级蒙烯材料制备具有可行性。尤其是在蓝宝石(α-Al2O3)表面，通过甚高温方法生长得到的石墨烯薄膜质量很高，层数和结构的控制性也很好；而氧化铝纤维作为一类新型氧化物纤维材料，具有优异的力学强度、耐高温、机械柔性、化学稳定性以及绝缘性，已逐渐成为新材料领域的翘楚。在超级蒙烯材料设计理念指导下诞生的蒙烯氧化铝纤维集石墨烯和氧化铝纤维的优异特性于一身，有望成为新一代轻质高强、高导电、高导热复合材料。大多数过渡金属因具有部分填充的d轨道，或者能形成可吸附和活化反应介质的中间产物而表现出良好的催化活性，是高品质石墨烯生长的良好衬底。而以铜、铝、铟、锡等金属材料为代表的导电、导热材料，被广泛应用于国民经济和国防军工的各个领域，例如输配电网络、雷达微波管、电磁屏蔽、电子芯片封装等。随着这些领域的迅速发展，对金属材料提出了更高的要求，具有轻质、高强、高导电、高导热、耐腐蚀、抗电磁屏蔽 等特性的金属基复合材料成为众多高端装备的亟需材料。已有研究表明，石墨烯蒙皮的引入可显著改善金属材料的性能。例如，以铜箔、铜丝、铜网、铜粉等不同形态的金属铜材作为支撑衬底生长石墨烯，再经过热压复合等工艺处理，可得到具有高导电、高导热、高载流量的蒙烯铜材料；利用化学气相沉积方法在铜、铝表面生长少层石墨烯或垂直石墨烯纳米片，可显著提升金属材料的电磁屏蔽效能，增强抗腐蚀能力。这种全新的金属基蒙烯材料有望促进飞行器电缆、电机、电触头、隐身涂层基板、雷达微波行波管等结构功能部件的升级换代，在飞行器减重、防雷击以及电磁对抗、电磁防护领域具有广阔的应用前景。在超级蒙烯材料中，作为支撑衬底的体相材料仍发挥着重要作用，石墨烯通过蒙皮或以复合 界面的形式介入其中，带来新的功能(如导电、导热增强等)。由于石墨烯“蒙皮”很薄，从单原子层到亚微米厚度可调，而支撑衬底材料的特征尺寸通常都在微米到毫米量级，因此如何有效提高石墨烯的相对比重、构筑连续的石墨烯网络、调控石墨烯与衬底材料的耦合强度，以最大化地发挥石墨烯的性能，成为超级蒙烯材料设计与制备的关键科学问题。后加工工艺可为超级蒙烯材料的微观结构与性能改善提供新的调控空间。各种蒙烯金属材料基元的进一步复合成型可制造出丰富的界面结构。可以想象，在此类新型复合材料体系中，石墨烯会带来更多的导电、导热通道，而金属为石墨烯提供更多的载流子。需指出的是，高温生长过程、后加工工艺以及石墨烯与金属衬底的相互作用可能导致金属衬底的体相结构重构，进而带来新的调控空间或需要解决的技术挑战。此外，对于超级蒙烯纤维材料来说，不同的编制结构和图案化设计也会影响其力学、热学和电磁学性能。近年来，粉末冶金、增材制造、复材加工成型等相关领域的快速技术进步也为超级蒙烯材料的发展提供了良好的技术依托。应当指出的是，超级蒙烯材料研究尚处于起步阶段，在材料设计、高温生长、物性测量和应用探索方面空间巨大。例如，蒙烯粉体材料比表面积大，易于加工，有利于发挥石墨烯的优异性能，但高温生长过程面临着难以分散、易于团聚、不易工程放大等难题。对蒙烯金属粉体制备来说尤其如此，有效控制高温生长过程中的金属粉体团聚和碳源前驱体传质至关重要。针对这些问题，人们发展了鼓泡化学气相沉积生长方法，但生长效率和粉体质量的控制仍有很大的提升空间。对于蒙烯非金属材料，由于缺乏催化活性，通常石墨烯的质量和生长速率较低。为解决这些问题，人们发展了限域空间法、助催化法、甚高温法等特殊生长方法，与金属表面催化生长的石墨烯相比仍有显著的差距。此外，目前所报道的蒙烯金属仅限于铜和铝，其导电性和导热性提升的物理机制尚不清晰，石墨烯与金属界面结构的调控方法 和规模化制备工艺还远未成熟。在应用探索方面，石墨烯的导热性和导电性为人们所青睐，超级蒙烯材料的问世有望促进电力电缆、信号传输、导热散热等结构功能器件的升级换代。需要关注的是，具体应用场景下超级蒙烯材料的短板，如高温生长工艺带来的载体结构和力学性能变化等。有针对性地发展超级蒙烯材料的生长方法、规模化工艺和装备是这一新兴领域发展的关键。毋庸置疑，这一新概念材料的提出将有力推动石墨烯与传统材料的融合，为破解连续态石墨烯薄膜材料的实用化开辟新路，为加快石墨烯材料的产业落地提供新的动力。

喀什大学是新疆地区一所具有较高声誉和影响力的高等学府，致力于推动科学研究和教育发展。为了满足科研需求和提升实验室设备水平，喀什大学决定采购多台南京大展DZDR-S导热系数测定仪，以提供更准确和可靠的导热系数测试数据。这批导热系数测定仪于近期完成安装调试工作，正式开始投入科研教学。 　　客户需求：　　喀什大学一直注重科研项目和学术研究的质量，而准确测定材料的导热系数是评估材料性能和进行相关研究的关键。因此，喀什大学需要一种高精度、可靠性强且适用于多种材料的导热系数测定仪。 　　经过前期的调研和对比，喀什大学选择了南京大展DZDR-S导热系数测定仪。喀什大学的采购决策不仅仅关注仪器的功能和性能，更注重其完善的服务体系，能够充分保障客户仪器的正常使用，如遇到仪器使用方面的问题，能够得到及时的解决。 　　仪器的性能优势：　　1、测量方法。DZDR-S导热系数测定仪采用非稳态法中的瞬态热源法，与其他测试方法相比，测量速度更快，准确性高。　　2、测量速度快。DZDR-S导热系数测定仪能够在5~160s内测量出导热系数，提升实验的效率。　　3、多功能性。DZDR-S导热系数测定仪适用于不同类型材料的导热系数测试，其中包括：液体、固体、金属、膏体、胶体、薄膜、粉末和复合材料等等，适用性广泛。　　4、易用性。DZDR-S导热系数测定仪采用双向操作控制系统，仪器和计算机同时操作，彩色触摸屏操作，使得使用和操作设备变得简单和便捷。　　5、数据准确性。DZDR-S导热系数测定仪拥有配套的分析软件，能够提供准确可靠的导热系数测试数据，可直接提供数据报告。　　6、重复性。DZDR-S导热系数测定仪对样品实行无损检测，样品可以重复使用。 　　售后服务：　　在仪器的安装调试现场，我司的技术工程师对仪器的操作、软件的分析等方面进行了详细的培训，整个的培训过程，也让操作人员对于仪器更加的熟悉。我司不仅是为各个行业提高高品质的检测仪器产品，同时我们更注重客户的服务体验，从售前、售中到售后，一站式的服务体系，让客户真正感受到采购南京大展仪器安心、放心。 　　通过采购多台南京大展DZDR-S导热系数测定仪，喀什大学成功解决了导热系数测试的需求，并提升了实验室设备水平。这个案例不仅展示了喀什大学对科研发展和教育质量的重视，也体现了南京大展DZDR-S导热系数测定仪作为高精度、可靠性和用户友好性的选择。

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石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料，是目前发现的最薄却最坚硬的纳米材料，具有优异的光学、热学、电学、力学特性，在新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药等领域应用前景广阔，被称为“新材料之王”。2004年，英国曼切斯特大学物理学家安德烈• 海姆和康斯坦丁• 诺沃肖诺夫成功从石墨中分离出石墨烯，引发学术界轰动，两人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。自此，全球掀起了持续至今的石墨烯研究热潮。作为新兴材料，石墨烯一直备受关注，但也屡屡成为被炒作的话题；各类石墨烯“黑科技”层出不穷，真假难辨。前段时间，某品牌电动汽车宣称其石墨烯基电池，充电8分钟，续航2000里。次日，中科院院士欧阳明高就在电动车论坛上公开表示：“如果有人告诉你，这车能跑1000公里，几分钟充满电，还安全，成本又低。以目前的技术来讲，他一定是骗子”。该品牌随即发表声明，声称充电快的是石墨烯基超级快充电池，长续航的是硅负极电池。除此之外，市面上还有石墨烯面膜、石墨烯袜子等日消品，可谓“万物皆可石墨烯”。而现实情况是，石墨烯低成本规模化制备技术存在技术瓶颈，其制备成本高，价格远超黄金。广告上石墨烯的噱头，更多只是为了迎合消费者的猎奇心理，收割一波“智商税”。如何规范这一不良现象？业界普遍认为，石墨烯行业亟需统一的国家标准，通过检测认证正本清源。为促进石墨烯产业健康发展，本文特汇总石墨烯的常用检测方法与已发布的国家标准，供相关检测人员参考。石墨烯常用检测方法石墨烯的检测仪器主要分为图像类和图谱类，图像类以光学显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）为主，而图谱类则以拉曼光谱（Raman）、红外光谱（IR）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外光谱（UV）为代表。其中，光学显微镜、SEM、TEM、Raman、AFM 一般用来表征石墨烯的层数；SEM、TEM、AFM能够对石墨烯的表面形貌进行观察分析；而Raman、IR、XRD、XPS和UV则可对石墨烯的结构进行表征。此外，热重分析仪、激光导热仪、激光粒度仪、比表面及孔径分析仪等仪器也用来测试石墨烯的热稳定性、粒度、比表面积等物理性质。每种检测方法都有各自的优势和局限性。在实际研究中，为提升检测精准度，几种表征手段往往联合使用，测试结果可互相对比、印证，进而为石墨烯的大规模生产和应用提供科学的保障。同时，随着石墨烯研究的不断推进，其检测方法将越来越丰富。已发布的石墨烯相关国家标准序号标准编号标准名称发布日期实施日期1GB/T 30544.13-2018纳米科技 术语 第13部分：石墨烯及相关二维材料2018-12-282019-11-012GB/Z 38062-2019纳米技术 石墨烯材料比表面积的测试 亚甲基蓝吸附法2019-10-182020-09-013GB/T 38114-2019纳米技术 石墨烯材料表面含氧官能团的定量分析 化学滴定法2019-10-182020-09-014GB/T 40071-2021纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法2021-05-212021-12-015GB/T 40069-2021纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法2021-05-212021-12-01GB/T 30544.13-2018是我国首个石墨烯国家标准，该标准界定了石墨烯及相关二维材料的术语和定义，包括制备方法、特性及其表征。此标准的制定和实施，为产业界和学术界交流提供了统一的技术语言，是开展石墨烯各种技术标准研究及制定工作的重要基础及前提。石墨烯材料比表面积大，拥有强大的吸附性能，在储能、催化、传感及水处理等能源、化工和环保领域有着广泛的应用。不同方法制备的石墨烯材料比表面积存在较大差异，因此，准确测定石墨烯材料的比表面积对其应用至关重要。GB/Z 38062-2019规定了亚甲基蓝吸附法测定石墨烯材料比表面积，即利用石墨烯材料在液相中吸附亚甲基蓝，通过吸附前后亚甲基蓝溶液的吸光度变化来计算出石墨烯材料的比表面积。石墨烯粉体材料在制备或应用改性过程中，可能引入一些含氧官能团，如羧基、内脂基、酚羟基和羰基等。这些含氧官能团对石墨烯粉体材料的电子特性、润湿性、导电性、导热性及化学反应活性等性能有着重要影响。因此，测量含氧官能团的种类和含量，对石墨烯粉体材料质量控制和应用具有十分重要的指导意义。GB/T 38114-2019规定了一种低成本、重复性好、操作简便的Boehm滴定法，Boehm滴定法根据碱性试剂的消耗量，可计算出石墨烯粉体材料表面的羧基、内酯基、酚羟基和羰基的含量。石墨烯的层数是影响其性能的关键参数，准确测量石墨烯的层数对于材料的研究、开发和应用意义重大。光学对比度法与拉曼光谱法因其快速、无损和高灵敏度等优势，被广泛应用于测量石墨烯的层数。GB/T 40071-2021规定了光学对比度法（包括反射光谱法和光学图片法）测量石墨烯相关二维材料的层数的步骤、仪器参数要求、数据分析、层数判定准则。GB/T 40069-2021规定了拉曼光谱法测量石墨烯相关二维材料层数时的样品制备、仪器参数要求、表征步骤、图谱分析及结果表示等内容，并列出基于本标准规定的方法测量某几个石墨烯薄片样品的实例。每一个新兴产业的发展，都不可能一蹴而就。当前我国石墨烯产业的发展正处于关键节点，只有建立和遵循完善的标准化体系，才能保证产品的质量，促进石墨烯产业安全、有序和健康地发展。

2017年2月山东青岛德通纳米科技有限公司成功采购我司一台设备，山东青岛德通纳米是一家石墨烯新材料科技公司。公司致力于石墨烯功能材料及其相关下游应用产品。 2017年3月初上海禾工科学仪器有限公司派遣专业的技术工程师远赴山东地区，现场安装调试培训AKF-2010V卡尔费休水分测定仪。使用禾工AKF-2010V卡尔费休水分测定仪检测石墨烯导电浆料中的水分含量 鲁烯石墨烯导电浆料是青岛德通纳米技术有限公司开发的一款石墨烯新材料产品。石墨烯具有众所周知的超强超薄物理特点，其导电、导热、润滑、防腐、密封和耐高温物理特性优异。该石墨烯乳系列产品以其优异的性能广泛应用于储能和动力电池、新能源、太阳能、电子元器件、电子工艺工程、印刷、抗静电、电磁屏蔽、特种功能涂料、复合材料、等领域。青岛德通纳米科技石墨烯产品展示 仪器状态及观测数据完全正常，期间与用户进行多次详细的交流。通过禾工专业技术工程师现场对用户所提疑问一一展示、验证及作答，最终获得了客户的一致肯定，本次安调作业圆满完成！

由北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会指导，北京石墨烯研究院(BGI)主办的“北京石墨烯论坛2022年23-25日在北京举行。论坛开幕式上，北京市政协副主席、北京市工商联主席燕瑛指出，首都经济高质量发展离不开“高精尖”产业，希望以北京石墨烯研究院为代表的广大创新主体和企业家坚定走“专精特新”道路，坚持专业化经营战略，坚持自主创新，提升全球影响力和竞争力，打造国际知名的民族品牌，争创世界一流企业。北京市经济和信息化局副局长彭雪海表示，近年来，北京发布了《北京市“十四五”时期高精尖产业发展规划》，加快布局以石墨烯、生物材料为代表的前沿新材料产业；出台了支持高精尖产业的1+N政策体系，全面支持包括新材料产业在内的高精尖产业发展，已逐步形成创新驱动的新材料产业体系。希望北京石墨烯研究院进一步夯实人才和研究基础，积极探索新的产学研协同创新机制，不断加快科技成果转化和产业化步伐，为我国石墨烯产业和北京高精尖产业发展做出更大贡献。北京石墨烯研究院院长刘忠范介绍，近年来，该院从平台建设到团队组建、从基础研发新进展到产业发展上“高速”、从文化软实力牵引到体制机制创新等方面不断发力，取得诸多新进展，为北京市石墨烯产业发展提供技术支撑。据介绍，今年以来，该院推动成立未来实验室，产业化研发走进新阶段；人才引进、人才培养和人才高地建设成效显著；石墨烯制备技术、石墨烯无损转移等方面的研发取得新突破；获批“专精特新”高科技企业，产业发展走上“高速路”。论坛上，北京石墨烯研究院还发布了4英寸单晶石墨烯晶圆、A3尺寸通用石墨烯薄膜、石墨烯玻璃纤维织物产品等BGI研发的3款产品。据悉，北京石墨烯论坛已经成功举办了五届。今年的论坛设置了石墨烯前沿论坛、石墨烯产业发展论坛、测量与标准论坛、青年科学家论坛、纳米化学论坛等板块。报告内容丰富，涵盖了石墨烯基础研究前沿热点、石墨烯材料制备技术、石墨烯行业标准国内外进展，以及石墨烯在能源存储、导热散热、航空航天等多个领域的应用与产业化最新突破。点击图片直达会议页面

中国民用航空飞行学院，简称“中飞院”，创建于1956年，是中国民用航空局直属的全日制普通高等学校，是中国民用航空局与四川省共建高校。学院作为中国民航培养高素质人才的主力高校，经过60多年的建设与发展，已成为全球民航职业飞行员培养规模在世界民航有着较高影响力的高等学府。中国民航70%以上的飞行员、80%以上的机长毕业于此，被称为“中国民航飞行员的摇篮”。中国民用航空飞行学院选购我司HS-DR-5快速导热系数测试仪，现已安装，调试完毕。HS-DR-5快速导热系数测试仪

美的于1968年成立于中国广东，美的是一家以家电业为主，涉足房产、物流等领域的大型综合性现代化企业集团，旗下拥有两家上市公司、四大产业集团，是中国最具规模的白色家电生产基地和出口基地。美的电气选购我司瞬态导热系数仪

奥运会颁奖礼仪服装，是每届奥运会的举办国展示本国文化的最重要的一种方式。和夏季奥运会不同，冬奥会运动场馆的温度最低甚至可以达到零下30多度，在如此冷的环境中，如何让颁奖礼仪服装既能美观、舒适，又能暖意融融呢？新型石墨烯材料 打造冬奥颁奖礼仪服本届冬奥会颁奖礼仪服装共有三套方案。分别为“瑞雪祥云”“鸿运山水”和“唐花飞雪”。颁奖礼仪服装不仅要呈现礼仪人员端庄、大方的形象，还要满足防寒保暖的要求。衣服里这一片片黑色的材料，就是中国航发针对本届冬奥会研发的第二代石墨烯发热材料，它可以快速升温，帮助工作人员抵抗零下30多度的严寒。中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人 陈利军：这个项目其实是一个科技冬奥的专项。在礼仪人员服装里边有一套内胆，这套内胆用了全套的石墨烯材料的新装备，所以看着礼仪姑娘们，外面穿得很薄，但里面内胆全套的石墨烯会给它提供一个温度的保障。我们其实做了一个中国文化传统与高科技石墨烯的一个深度结合。石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，在通电的情况下，碳分子团之间相互摩擦、碰撞而产生热能，热能又通过远红外线以平面方式均匀地辐射出来，可以能很好地被人体接受，产生一种由内而外的温暖。同时，为保证在室外长时间工作的工作人员不感到寒冷，科研人员还开发出多种产品，满足各场馆，各工种的不同需求。中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人 陈利军：我们给工作人员准备了有围巾、马甲、手套、袜子等一系列的石墨烯的加热类产品，可以快速地使人体升温，恢复到正常的温度值。保障我们的工作人员在零下40摄氏度的情况下，还有非常好的温度保障，又非常轻便。研发第二代石墨烯发热材料石墨烯发热材料的应用，大幅度提升了人的体感温度，让工作人员在料峭寒风中也可以暖意融融。针对本次冬奥会需求，为了解决穿戴的舒适性，专项小组的科研人员还专门研发了第二代石墨烯发热材料，它的质感有点接近纯棉布料。中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人 陈利军：石墨烯的第一代材料，因为它不透气，用在身上以后，汗排不出去，容易造成低温灼伤，所以它不能做穿戴类的服装。针对冬奥的应用场景，我们开发了石墨烯的第二代柔性热管理材料，它的基材是布料或纤维肌，所以这样的材料柔软还透气。据科研人员介绍，针对冬奥会外有雪水，内有汗水的特殊情况，相较于第一代材料，为冬奥会专门打造的第二代石墨烯材料还能剪裁和水洗，保证了产品的安全性和可靠性。中国航发石墨烯材料冬奥专项项目负责人 陈利军：比如我把它剪断了，它还可以正常使用。并且将它放到水里揉搓清洗，再通上一个5伏充电宝。现在直接点亮它，我们可以用温枪来检查一下它这时候的温度，虽然剪断了并且用水洗了，仍然可以正常地工作。科研人员介绍，通过新材料的使用，冬奥发热服在保证安全性的前提下，还可重复使用。石墨烯：材料学的科技革新在本届冬奥会大显身手的石墨烯材料到底是什么？又是如何被发现的呢？石墨烯是一种新型材料，最早由英国的两位科学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃消洛夫发现。他们用胶带反复粘贴石墨，得到越来越薄的石墨薄片，通过不断操作，最终得到了仅由一层碳原子构成的石墨烯。单层的石墨烯要比石墨具备更好的热传导性能，也是到目前为止导热系数最高的碳材料。中国航发北京石墨烯技术研究院院长 王旭东：当石墨烯材料两边被加入电场以后，电子的穿梭造成波动，所以说石墨烯发热它带来的效果就更加接近于光波，让我们感觉到阳光的温暖。据王旭东介绍，石墨烯制备技术已经非常成熟了，可以针对不同用途和不同要求，快速制备石墨烯材料，未来它将在高端装备、新能源等多个领域得到广泛应用。

2013年五洲东方公司系列有奖问答十&mdash &mdash &ldquo EKO导热系数测量仪网络问答&rdquo 活动开始啦！全部回答正确者即可获得由五洲东方公司提供的精美奖品一份。熟悉实验方法的网友不要犹豫了，快来参加吧! 活动开始时间： 2013年9月底。 活动奖励： 全部答全答对的网友将获得精美礼品一份。 答题规则如下： 我们会提供参考文章，您可以阅读完文章后答题。 本次试题共5题，1-5题都必须答全。 点击下载试题EKO导热系数测量仪网络问答问题.doc， 填写完整后，您可以： 1)将问卷邮件至g.y_liu@ostc.com.cn。 2)将问卷邮寄至北京五洲东方公司(&ldquo 北京市海淀区北四环中路265号中汽大厦7层&rdquo ，邮编：100083，刘广宇收)。 奖品发放： 收到问卷经审核后，将发放精美奖品。 为了保证奖品能顺利发送到您的手中，请将您的所有联系方式全部填写全面。 活动咨询电话：400-011-3699 活动详情：&ldquo EKO导热系数测量仪网络问答&rdquo &mdash &mdash 2013年五洲东方公司系列有奖问答十 请关注下期有奖问答活动： 2013年五洲东方公司系列有奖问答十一 所有活动信息请关注五洲东方官方网站www.ostc.com.cn首页公告栏。 感谢您的参与!

我司于2023年2月13日中标南京工业大学导热系数测试仪项目，设备现已交付，并安装调试完毕。南京工业大学中标通知书上海和晟 HS-DR-5 快速导热系数测试仪

7月14日，五洲东方公司代理的美国EKO公司HC-110型导热系数测定仪成功中标2005年北京化工大学导热系数测定仪招标。

p style=" text-align:center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/pic/187cb255-a34c-4ed8-a855-acab9e330a95.jpg!w400x400.jpg" alt=" VIP绝热板导热系数检测仪" / /p p span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 真空绝热板（ /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " & nbsp VIP /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 板）是英文 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " & nbsp Vacuum& nbsp Insulation& nbsp Panel /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 的简称，是真空保温材料中的一种，是由填充芯材与真空保护表层复合而成，它有效地避免空气对流引起的热传递，因此导热系数可大幅度降低，小于 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " & nbsp 0.005w/m.k /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " ，并且不含有任何 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " & nbsp OD /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 材料，具有环保和高效节能的特性，是目前世界上较先进的高效保温材料。 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " VIP /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 主要用于保温绝热，如冰箱、深冷冰柜、电热水器、自动贩卖机、冷冻箱、冷藏集装箱、建筑墙体保温和 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " & nbsp LNG /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 储运等，市场应用广阔。采用高灵敏度检测传感元件、高度集成方式，实现准确、快速、高效率检测，使得一块 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " VIP /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 的检测时间缩短至 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 20S /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 以内，真正实现 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " VIP /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 板的快速检测 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " , /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px text-indent: 28px " 真正为用户实现产品全部全检化提供可能，且一人可操作多台检测仪器，检测效率极高。可做到远程控制、手机查看数据库和筛选数据。移动打印数据，自动扫描一维码二维码标签。（可根据实际需求升级其他功能）尺寸也可根据用户要求实现定制。 /span br/ /p p style=" line-height: 150% text-indent: 28px " br/ /p p strong span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-size: 14px " 应用领域 /span /strong /p p & nbsp span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px " 用于真空绝热板（ /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px " VIP /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px " ）质量测试 /span /p p span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 14px " & nbsp /span /p p style=" color: rgb(0, 0, 0) font-size: 16px font-style: normal font-weight: normal margin-top: 0px margin-bottom: 0px " strong span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-size: 14px " 技术参数 /span /strong /p table width=" 0" border=" 1" cellspacing=" 0" cellpadding=" 0" tbody tr class=" firstRow" td width=" 284" valign=" top" style=" padding: 0px 7px border: 1px solid windowtext border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 导热系数测试范围 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 1px 1px 1px 0px border-style: solid solid solid none border-color: windowtext windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 1~9mw/mk /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 测试时间 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px -ms-word-break: break-all background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 10s /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 样品规格 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 100~2000mm /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 样品厚度 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 5~35mm /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 外观尺寸 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 1200mm /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " （宽）× /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 2130mm /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " （高）× /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 980mm /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " （深） /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 重量 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 约 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 220kg /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 电源要求 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " AC220V /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 、 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 50/60HZ /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 、 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " 5A /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 软件 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " QT-2000_test.exe /span /p /td /tr tr td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px border-style: none solid solid border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext padding: 0px 7px border-image: none -ms-word-break: break-all background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 其他功能 /span /p /td td width=" 284" valign=" top" style=" border-width: 0px 1px 1px 0px border-style: none solid solid none border-color: rgb(0, 0, 0) windowtext windowtext rgb(0, 0, 0) padding: 0px 7px background-color: transparent " p style=" text-align: justify -ms-text-justify: inter-ideograph " span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 条形码阅读器 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " ( /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " 选配 /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: " ) /span span style=" color: rgb(51, 51, 51) font-family: 宋体 font-size: 12px " ，打印功能 /span /p /td /tr /tbody /table p br/ /p p 创新点： /p p 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导热仪能测什么？其实导热仪是一种测量不同材料导热系数的仪器。导热仪的应用广泛，其主要用于金属与合金、钻石、陶瓷、石墨与碳纤维、填充塑料、高分子材料等的测试。　　这次采购南京大展的DZDR-S瞬态平板法导热仪是湘潭大学化工学院，为什么会选择这款瞬态平板法导热仪？其主要是因其具备的性能优势，而且测量速度快，对于样品的形状无特殊要求，只需平整，操作简单。　　在仪器的安装调试现场，技术人员就这款DZDR-S瞬态平板法导热仪测试流程、数据分析、放置样品等实际操作步骤进行说明和培训，让其使用人员进行操作，对仪器进行熟悉，针对疑问进行解答。　　DZDR-S瞬态平板法导热仪的性能特点：　　1、测量范围：0.0001—300W/(m*K)。　　2、测量时间快。测试时间5-160s左右可设置，能快速准确的测出导热系数，节约了大量的时间。　　3、多个探头可供选择。探头上的数据采集使用了进口的数据采集芯片，该芯片的高分辨率，能使测试结果更加准确可靠。　　4、测试样品类型广泛。仪器可用于块状固体、膏状固体、颗粒状固体、胶体、液体、粉末、涂层、薄膜、保温材料等热物性参数的测定。　　5、双向操作，可通过软件直接计算出导热系数。主机的控制系统使用了ARM微处理器，运算速度比传统的微处理器快，提高了系统的分析处理能力。　　6、彩色触摸屏显示，显示清晰度高，操作便捷。　　DZDR-S瞬态平板法导热仪是南京大展仪器新推出一款设备，与其他测试方法的导热仪对比，其具备的优势明显，而且测量速度快，操作简单，并且准确度高。

近期中国科学院院士、北京大学/北京石墨烯研究院院长刘忠范、中科院半导体所研究员刘志强、北京大学物理学院研究员高鹏等合作，提出了一种纳米柱辅助的范德华外延方法，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD），国际上首次在玻璃衬底上成功“异构外延”出连续平整的准单晶氮化镓（GaN）薄膜，并制备蓝光发光二极管（LED）。相关成果7月31日发表于《科学》子刊《科学进展》。半导体产业是科技自立自强的底层保障。在全球信息化、5G时代以及新冠肺炎疫情的影响下，以III族氮化物为代表的先进半导体迎来发展的高峰期。一直以来，我国氮化物核心材料、器件的原始创新能力较为薄弱，核心专利技术不足。同时，由于缺乏同质衬底，氮化物材料一直通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石、硅、碳化硅等单晶衬底上进行异质外延。单晶衬底的尺寸、成本、晶格失配、热失配、导热导电性等限制了氮化物材料的发展。因此，摆脱传统衬底限制是氮化物材料制备的瓶颈问题，也是通过自主创新引领先进半导体产业发展的的关键。研究人员巧妙地利用石墨烯解决了该问题。他们在生长初期，利用石墨烯的晶格来引导氮化物的晶格排列，在非晶玻璃上也实现了高质量氮化物的外延。通常，玻璃上生长的氮化物上是完全杂乱无序的多晶结构。石墨烯的晶格引导作用使得玻璃上的氮化物的面外取向完全一致，面内取向也由通常的随机取向被限制成三种，从而得到了高质量的准单晶薄膜。他们进一步生长了蓝光LED结构，其内量子效率高达48.7%。此外，他们充分利用界面处弱的范德华作用力，将生长的外延结构机械剥离并制备了柔性的LED样品。据悉，面向大规模产业应用，北京石墨烯研究院在玻璃衬底上采用化学气相沉积，发展了一系列石墨烯晶圆制备方法，为氮化物变革性制备技术的探索提供坚实基础。刘忠范表示，这一成果是典型的“从0到1”式的原创性突破，为石墨烯等二维材料的产业化应用提供了新思路，有望发展为氮化物变革性制备技术，解决先进半导体发展技术瓶颈，在新型显示、柔性电子学等领域具有重要应用前景。同时，该技术通过“异构外延”减弱了氮化物对单晶衬底的依赖，对于扩大半导体外延衬底选择范围、丰富半导体异质外延概念、实现面向后摩尔时代的片上物质组装和异构集成，具有重要意义。

概 述人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯，是一种二维材料。虽然看起来非常单薄，但是石墨烯却具有常规材料无可比拟的优异性能：力学、电学、热传导、阻隔性等性能。其导热系数是金属的10倍，电子迁移率更高，电阻率更小，比导热导电性能最好的银和铜还要好，柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本、智能手机等提升其散热性能；它几乎是透明的，只吸收2.3%的光，97.7%的光可被传输，使其具有非常大的潜力，可用于光伏领域等。接下来，小编就带领大家，一起走进近期石墨烯在某些领域的潜在应用性。一、柔性石墨烯存储 现在大家对手机的期待越来越高，期望能有更多的黑科技应用到手机上，希望自己的手机拥有非常酷炫的功能。除了超级大的内存、存储空间，超长待机时间，超快的传输速度，强大的拍照、录像功能，生物识别技术，全视曲面屏，AR和VR功能等，现在人们越来越关注手机的轻薄性，最酷的当属折叠手机。目前对于柔性屏幕的研究，已经有了些许眉目，但是想要手机达到任意折叠的效果，还需要内部组件的柔性可弯曲，虽然非常遥远，但是已经有了这方面的研究成果了。英国University of Exeter 基于石墨烯研发了一种新材料——混合氧化石墨烯二氧化钛存储，只有50纳米长度和8纳米的厚度，写入和读取速度只需5纳秒，非常适合未来可弯曲手机的设计，取代智能手机中的闪存储存。二、太阳能电池光板利用石墨烯高达97.7%的透光性，可将其用于光伏领域，相反的，最近英国萨里大学的研究者，利用纳米纹理化技术，可将纹理处理后的石墨烯制作太阳能光板。原来，研究者从飞蛾的眼睛得到启发，对石墨烯表面进行纹理操作，使石墨烯的吸光能力增加90%，可以吸收非常微弱的光，可以极大的提高能源利用率。三、石墨烯“人工喉”清华大学的研究者偏重于石墨烯在人体健康方面的许多研究，最近任教授介绍称，将少数几个单层的石墨烯薄膜叠加一起，形成一定的结构，可使其具有更加丰富的功能，任教授将其应用到了 “人工喉”的领域。通常情况下，一般人听不懂先天失声的人在说些什么，这就需要把这些声音转化。 “人工喉”可以检测到喉咙的振动行为，并通过处理电路进行分析。如：我们可以将10KHz或5KHz的单频率声音替换为提前录制好的声音，比如“你好”等，这样，聋哑人发出“啊”时，人工喉咙相应的自动发出“你好”，目前此项研究还在开展中。让我们共同期待，不远的将来，任教授能够利用石墨烯帮助聋哑人士开口说话吧。前面介绍了石墨烯这么多优异的功能和用途，接下来，就让我们在电镜下，看一下其庐山真面目吧。图1为采用电镜获取的石墨烯截面和表面的2万、3万、4万、5万倍下的图像，可以清晰看到，该产品由多层石墨烯组成，且呈现多孔结构。多孔结构的石墨烯，使其具有超强的吸附性能，在空气净化器、汽车换气系统滤膜等使用，尤其在污水处理方面具有非常大的潜力。研究表明氧化石墨烯对铅的吸附容量是常规碳材料的10倍，吸附率可达到99%，可以使水得到深度净化如图2所示。图1 电镜下石墨烯截面和表面形貌像图2 石墨烯的吸附作用采用蔡司的sigma500场发射扫描电子显微镜观察石墨烯，我们可以看到不一样的风景。如下图3所示，不同石墨烯的截面（6万，10万倍）和表面图像（1.5万，10万倍）。从截面图像，我们能够清晰看到其边界以及多层结构；通过表面图像可以看出，该石墨烯表面有许多褶皱，研究表明，可以通过褶皱来判断石墨烯的层数，原因是：单层石墨烯为了降低表面能，其形貌会由二维向三维转变，所以单层石墨烯的表面褶皱明显大于双层石墨烯，并且随着石墨烯层数增加，褶皱程度越来越小。另一方面，层数越多，透过的电子越少，在扫描图像上颜色越深，反之，则越浅。另外一方面，通过SPS技术，在石墨烯表面诱导产生大量褶皱形貌，可以使石墨烯从亲水性转变为疏水性，对于超疏水性材料的研制具有重大意义。后 记尽管石墨烯具有非常大的发展潜力，并且对于一些优异性能的研究已经取得了部分进展（如上所述），但是距离产业化，将这种福利惠及到大众，还是有很长的道路的。革命尚未成功，同志还需努力，广大的科研工作者还需要利用蔡司显微镜再接再厉呀~

“新材料之 王”是什么？ 石墨是的一种同素异形体，质软，黑灰色，有油腻感。高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)是指热解石墨，经高温处理使性能接近单晶石墨的一种新型石墨，简称HOPG。在2004年来自英国曼彻斯特大学的科学家们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复操作，于是薄片越来越薄，最 后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。（▲三层碳原子构成的石墨结构分子示意图）在分离出单层石墨烯之前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，石墨烯的发现立即震撼了凝聚体物理学界。但是实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是一层甚至几层石墨烯。（▲由石墨烯构成的铅笔芯，图片取自央广网科普|习主席访英为何青睐&ldquo 奇迹材料&rdquo 石墨烯？2015-10-23） 石墨烯结构特点碳原子有4个价电子，石墨烯内部碳原子的3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成&pi 键，新形成的&pi 键呈半填满状态。形成的石墨烯为复式六角形晶格，每个元胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的 3个原子间形成3个&sigma 键，剩余的一个p电子垂直于石墨烯平面，与周围原子形成&pi 键。（▲石墨烯结构示意图，石墨烯的蜂窝状晶格包括两层互相透入的三角形晶格，每个子晶格A的格点都位于其他子晶格B确定的三角形中央，共同形成石墨烯的蜂窝状晶格）（▲石墨烯结构的波失空间，石墨烯的晶体结构与倒格子，所谓倒格子是与晶格空间相对应傅里叶变换出来的波矢空间，或称动量空间）（▲石墨烯能带结构图）我们可以看出在 K 和 K&rsquo 点附近，费米面附近的电子能量E与波矢 k成线性的关系，E= F|hk|v , 其中k为准粒子动量，Vf =106 m/s，为费米速度。色散关系是近似线性的，这等效于动量与能量的关系为线性，这也就表明电子的速度为常量，并不受动量与动能的影响。在这种情况下，薛定谔方程来描述粒子的运动已经无效了，我们需要运用引入了相对论效应的狄拉克方程来描述。关于石墨烯非常高的电子迁移率的原因也是由于狄拉克点的存在，由于量子隧穿效应的影响，电子有概率穿过高于自身能量的势场。石墨烯的优势有什么？由于存在这样的特殊结构，石墨烯具备了超高的载流子迁移性，也就具备了良好的导电性和极高的信噪比以及时间分辨率。所有性能都基于结构，所以，石墨烯同样还具备轻盈，高导热性，做同样的功所消耗电力少，化学反应性强，强度高，比表面积大，高弹性高硬度等特点，发热少等优点。这么多优点又如此应用广泛，难怪石墨烯被称为&ldquo 黑金&rdquo ，是&ldquo 新材料之 王&rdquo ！2004年被发现，发现者2010年就获得了诺贝尔物理学奖，连我们的习大大都去参观了曼彻斯特大学的石墨烯研究所呢！在笔者看来最重要的一个特点是，单层的石墨烯近乎透明，对于应用场景的限制大大减少了。石墨烯如何制备？石墨烯之父采用的是机械剥离法，这个方法较为简便，将天然石墨块放在干净的二氧化硅SiO2上，上方用透明胶带反复剥离，从而得到石墨薄片。根据菲涅尔定律，在外部光源照射下，石墨烯与SiO2基底之间会因反射光强不同呈现光学反差，并且这种光学反差随着石墨样品厚度增加有着明显改变，借此办法来确定石墨烯是否为单层或多层。这个方法虽然简便，但不适合大规模生产。除此之外还有氧化还原法, 取向附生法, 碳化硅外延法, 赫默法以及化学气相沉积法(CVD)。CVD法简单说来就是用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法，这也是目前科研机构制备石墨烯常用的方法。（▲化学气相沉积法CVD示意图）例如以铜Cu或镍Ni为基底，高温加热，并辅以甲烷作为碳源补充，使甲烷中的碳原子脱去氢，在基底上形成石墨烯。不同材质的基底对于碳原子溶解性不同，所以会产生&ldquo 石墨烯岛&rdquo 或&ldquo 石墨烯膜&rdquo ，通过控制气压高低可以获得单层石墨烯或多层石墨烯。 石墨烯的应用极高的信噪比和时间分辨率让石墨烯在生物电信号采集时具有极大的优势。目前的生物电传感器主要集中在膜片钳和微电极阵列，前者具备较高的空间分辨率，信噪比较好，但对生物体有损伤；后者没有损伤且可长时间记录生物体膜外信号，但是信噪比和空间分辨率相对较低。场效应晶体管是一种很好的代替微电极阵列的记录工具，利用场效应晶体管可以很好的记录小鼠大脑皮层或者海马区的神经电生理信号，也可以将其刺穿细胞膜来记录膜内电势差。这种技术信噪比较高，集成度也不错。石墨烯场效应晶体管和传统的场效应晶体管类似，但需要在石墨烯的表面做相应的修饰，使其能特异性识别某种分子或物质这样就既可以提高生物相容性和灵敏度，又能把石墨烯载流子迁移率高和载流子浓度高的特点发挥得淋漓尽致。上图为60通道石墨烯微电极阵列示意图，PI：1-&mu m-thick light-sensitive polyimide，即1微米厚光敏聚酰亚胺1，以此装置记录大鼠胚胎分离的神经细胞电生理活动。上图为石墨烯晶体管进行细胞电信号记录示意图，在柔性聚酰亚胺基底和透明基底(蓝宝石，玻璃，SiO2 /Si) 上制备了石墨烯液栅晶体管器件如上图所示，并用其记录小鼠初级海马神经元的神经信号2，因石墨烯材料透明的特点，同时结合倒置光学显微镜，观察细胞的光学特征。上图是石墨烯晶体管上培养的神经元细胞图，培养21天后的神经元进行免疫荧光染色2，DAPI(红色)和anti-Synapsin(绿色)染色，分别胞体和突触囊泡）机械剥离的石墨烯对心肌细胞电生理信号的记录3，A：在不同water gate potentias下记录的数据。蓝色、绿色和红色分别代表在 +0.05、+0.10 和 +0.15 V 下所记录。相应的灵敏度分别为 2020、398 和 2290 &mu S/V。B：所选栅极电位的代表性扩展峰值。蓝色类似于在石墨烯 FET 的 p 型器件极性处记录的结果，红色峰代表在n型器件极性处记录的结果，绿色峰代表在Gra-FET的狄拉克点附近记录的结果。上图为16通道石墨烯晶体管阵列记录HL-1细胞电生理信号4， 比例尺为100 &mu m。一个石墨烯场效应晶体管阵列中8个晶体管在数十秒（h）和数百秒(i)内同时记录电流的情况。图：细胞相容性测试，37摄氏度下，不同浓度纯石墨烯（上）和氧化石墨烯（下）处理Vero细胞后的存活率情况5。 石墨烯最 新应用研究近日，来自曼彻斯特大学的纳米医学实验室的研究者们利用利用石墨烯近乎透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，因为石墨烯近乎透明的性质，在激光成像下不会产生激光伪影（如下图所示）。（▲利用石墨烯透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，由RWD RFLSI Ⅲ激光散斑血流成像系统采集）总结石墨烯具备了许多神经电极活性材料的特性，如良好的相容性、化学稳定性、柔韧性、光学透明性和高导电性等，为更精 准的神经电生理研究提供了新的选择。识别下方二维码快来免费申请试用吧* 敬请期待下期内容，脑卒模型下的神经电生理相关特点。【参考文献】1：Du X, Wu L, Cheng J, Huang S, Cai Q, Jin Q, Zhao J. Graphene microelectrode arrays for neural activity detection. J Biol Phys. 2015 Sep 41(4):339-47.2. Veliev F, Han Z, Kalita D, Brianç on-Marjollet A, Bouchiat V, Delacour C. Recording Spikes Activity in Cultured Hippocampal Neurons Using Flexible or Transparent Graphene Transistors. Front Neurosci. 2017 11:466.3. Cohen-Karni T, Qing Q, Li Q, Fang Y, Lieber CM. Graphene and nanowire transistors for cellular interfaces and electrical recording. Nano Lett. 2010 Mar 10 10(3):1098-102.4. Hess LH, Jansen M, Maybeck V, Hauf MV, Seifert M, Stutzmann M, Sharp ID, Offenhä usser A, Garrido JA. Graphene transistor arrays for recording action potentials from electrogenic cells. Adv Mater. 2011 Nov 16 23(43):5045-9, 4968. 5. Sasidharan A, Panchakarla LS, Chandran P, Menon D, Nair S, Rao CN, Koyakutty M. Differential nano-bio interactions and toxicity effects of pristine versus functionalized graphene. Nanoscale. 2011 Jun 3(6):2461-4.

摘要：为了减少环境污染、打造绿色经济，高效地利用电力变得越来越重要。电力电子设备是实现这一目标的关键技术，已被广泛用于风力发电、混合动力汽车、LED 照明等领域。这也对电子器件中的散热基板提出了更高的要求，传统的陶瓷基板如 AlN、Al2O3、BeO 等的缺点也日益突出，如较低的理论热导率和较差的力学性能等，严重阻碍了其发展。相比于传统陶瓷基板材料，氮化硅陶瓷由于其优异的理论热导率和良好的力学性能而逐渐成为电子器件的主要散热材料。关键词：半导体 陶瓷基板 氮化硅 热导率然而，目前氮化硅陶瓷实际热导率还远远低于理论热导率的值，而且一些高热导率氮化硅陶瓷(＞150 W/(mK))还处于实验室阶段。影响氮化硅陶瓷热导率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等，其中氧原子因为在晶格中会发生固溶反应生成硅空位和造成晶格畸变，从而引起声子散射，降低氮化硅陶瓷热导率而成为主要因素。此外，晶型转变和晶轴取向也能在一定程度上影响氮化硅的热导率。如何实现氮化硅陶瓷基板的大规模生产也是一个不小的难题。现阶段，随着制备工艺的不断优化，氮化硅陶瓷实际热导率也在不断提高。为了降低晶格氧含量，首先在原料的选择上降低氧含量，一方面可选用含氧量比较少的 Si 粉作为起始原料，但是要避免在球磨的过程中引入氧杂质 另一方面，选用高纯度的 α-Si3N4 或者 β-Si3N4作为起始原料也能减少氧含量。其次选用适当的烧结助剂也能通过减少氧含量的方式提高热导率。目前使用较多的烧结助剂是 Y2O3-MgO，但是仍不可避免地引入了氧杂质，因此可以选用非氧化物烧结助剂来替换氧化物烧结助剂，如 YF3-MgO、MgF2-Y2O3、Y2Si4N6C-MgO、MgSiN2-YbF3 等在提高热导率方面也取得了非常不错的效果。研究发现通过加入碳来降低氧含量也能达到很好的效果，通过在原料粉体中掺杂一部分碳，使原料粉体在氮化、烧结时处于还原性较强的环境中，从而促进了氧的消除。此外，通过加入晶种和提高烧结温度等方式来促进晶型转变及通过外加磁场等方法使晶粒定向生长，都能在一定程度上提高热导率。为了满足电子器件的尺寸要求，流延成型成为大规模制备氮化硅陶瓷基板的关键技术。本文从影响热导率的主要因素入手，重点介绍了降低晶格氧含量、促进晶型转变及实现晶轴定向生长三种提高实际热导率的方法 然后，指出了流延成型是大规模制备高导热氮化硅陶瓷的关键，并分别从流延浆料的流动性、流延片和浆料的润湿性及稳定性等三方面进行了叙述 概述了目前常用的制备高导热氮化硅陶瓷的烧结工艺现状 最后，对未来氮化硅高导热陶瓷的研究方向进行了展望。关键词：半导体 陶瓷基板 氮化硅 热导率00引言随着集成电路工业的发展，电力电子器件技术正朝着高电压、大电流、大功率密度、小尺寸的方向发展。因此，高效的散热系统是高集成电路必不可少的一部分。这就使得基板材料既需要良好的机械可靠性，又需要较高的热导率。图 1 为电力电子模块基板及其开裂方式。研究人员对高导热系数陶瓷进行了大量的研究，其中具有高热导率的氮化铝(AlN)陶瓷(本征热导率约为320 W/(mK))被广泛用作电子器件的主要陶瓷基材。图 1 电力电子模块基板及其开裂方式但是，AlN 陶瓷的力学性能较差，如弯曲强度为 300～400 MPa，断裂韧性为 3～4 MPam1/2，导致氮化铝基板的使用寿命较短，使得它作为结构基板材料使用受到了限制。另外，Al2O3 陶瓷的理论热导率与实际热导率都很低，不适合应用于大规模集成电路。电子工业迫切希望找到具有良好力学性能的高导热基片材料，图 2 是几种陶瓷基板的强度与热导率的比较，因此，Si3N4 陶瓷成为人们关注的焦点。图 2 几种陶瓷基板的强度与热导率的比较与 AlN 和 Al2O3 陶瓷基板材料相比，Si3N4 具有一系列独特的优势。Si3N4 属于六方晶系，有 α、β 和 γ 三种晶相。Lightfoot 和 Haggerty 根据 Si3N4 结构提出氮化硅的理论热导率在200～300 W/(mK)。Hirosaki 等通过分子动力学的方法计算出 α-Si3N4 和 β-Si3N4 的理论热导率，发现Si3N4 的热导率沿 a 轴和 c 轴具有取向性，其中 α-Si3N4 单晶体沿 a轴和 c轴的理论热导率分别为105 W/(mK)、225W/(mK)；β-Si3N4 单晶体沿a轴和c轴方向的理论热导率分别是 170 W/(mK)、450 W/(mK)。Xiang 等结合密度泛函理论和修正的 Debye-Callaway 模型预测了 γ-Si3N4 陶瓷也具有较高的热导率。同时 Si3N4 具有高强度、高硬度、高电阻率、良好的抗热震性、低介电损耗和低膨胀系数等特点，是一种理想的散热和封装材料。现阶段，将高热导率氮化硅陶瓷用于电子器件的基板材料仍是一大难题。目前，国外只有东芝、京瓷等少数公司能将氮化硅陶瓷基板商用化(如东芝的氮化硅基片(TSN-90)的热导率为 90 W/(mK))。近年来国内的一些研究机构和高校相继有了成果，北京中材人工晶体研究院成功研制出热导率为 80 W/(mK)、抗弯强度为 750 MPa、断裂韧性为 7.5MPam1/2 的 Si3N4 陶瓷基片材料，其已与东芝公司的商用氮化硅产品性能相近。中科院上硅所曾宇平研究员团队成功研制出平均热导率为 95 W/(mK)，最高可达 120 W/(mK)且稳定性良好的氮化硅陶瓷。其尺寸为 120 mm×120 mm，厚度为 0.32 mm，而且外形尺寸能根据实际要求调整。目前我国的商用高导热 Si3N4 陶瓷基片与国外还是存在差距。因此，研发高导热的 Si3N4 陶瓷基片必将促进我国 IGBT(Insula-ted gate bipolar transistor)技术的大跨步发展，为步入新能源等高端领域实现点的突破。近年来氮化硅陶瓷基板材料的实际热导率不断提高，但与理论热导率仍有较大差距。目前，文献报道了提高氮化硅陶瓷热导率的方法，如降低晶格氧含量、促进晶型转变、实现晶粒定向生长等。本文阐述了如何提高氮化硅陶瓷的热导率和实现大规模生产的成型技术，重点概述了国内外高导热氮化硅陶瓷的研究进展。01晶格氧的影响氮化硅的主要传热机制是晶格振动，通过声子来传导热量。晶格振动并非是线性的，晶格间有着一定的耦合作用，声子间会发生碰撞，使声子的平均自由程减小。另外，Si3N4 晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起声子的散射，也等效于声子平均自由程减小，从而降低热导率。图 3 为氮化硅的微观结构。图 3 氮化硅烧结体的典型微观结构研究表明，在诸多晶格缺陷中，晶格氧是影响氮化硅陶瓷热导率的主要缺陷之一。氧原子在烧结的过程中会发生如下的固溶反应:2SiO2→ 2SiSi +4ON+VSi (1)反应中生成了硅空位，并且原子取代会使晶体产生一定的畸变，这些都会引起声子的散射，从而降低 Si3N4 晶体的热导率。Kitayama 等在晶格氧和晶界相两个方面对影响 Si3N4晶体热导率的因素进行了系统的研究，发现 Si3N4晶粒的尺寸会改变上述因素的影响程度，当晶粒尺寸小于 1μm时，晶格氧和晶界相的厚度都会成为影响热导率的主要因素 当晶粒尺寸大于 1μm 时，晶格氧是影响热导率的主要因素。而制备具有高热导率的氮化硅陶瓷，需要其具有大尺寸的晶粒，因此通过降低晶格氧含量来制得高热导率的氮化硅显得尤为关键。下面从原料的选择、烧结助剂的选择和制备过程中碳的还原等方面阐述降低晶格氧含量的有效方法。1.1 原料粉体选择为了降低氮化硅晶格中的氧含量，要先得从原料粉体上降低杂质氧的含量。目前有两种方法:一种是使用低含氧量的 Si 粉为原料，经过 Si 粉的氮化和重烧结两步工艺获得高致密、高导热的 Si3N4 陶瓷。将由 Si 粉和烧结助剂组成的 Si的致密体在氮气气氛中加热到 Si熔点(1414℃)附近的温度，使 Si 氮化后转变为多孔的 Si3N4 烧结体，再将氮化硅烧结体进一步加热到较高温度，使多孔的 Si3N4 烧结成致密的 Si3N4 陶瓷。另外一种是使用氧含量更低的高纯 α-Si3N4 粉进行烧结，或者直接用 β-Si3N4 进行烧结。日本的 Zhou、Zhu等以 Si 粉为原料，经过 SRBSN 工艺制备了一系列热导率超过 150W/(mK)的氮化硅陶瓷。高热导率的主要原因是相比于普通商用 α-Si3N4 粉末，Si 粉经氮化后具有较少的氧含量和杂质。Park 等研究了原料Si 粉的颗粒尺寸对氮化硅陶瓷热导率的影响，发现 Si 颗粒尺寸的减小能使氮化硅孔道变窄，有利于烧结过程中气孔的消除，进而得到致密度高的氮化硅陶瓷。研究表明，当 Si 粉减小到 1μm 后，氮化硅陶瓷的相对密度能达到 98%以上。但是在 SRBSN 这一工艺减小原料颗粒尺寸的过程中容易使原料表面发生氧化，增加了原料中晶格氧的含量。Guo等分别用 Si 粉和 α-Si3N4 为原料进行了对比试验。研究发现，以 Si 粉为原料经过氮化后能得到含氧量较低(0.36%,质量分数)的 Si3N4 粉末，通过无压烧结制得热导率为 66.5W/(mK)的氮化硅陶瓷。而在同样的条件下，以 α-Si3N4 为原料制备的氮化硅陶瓷，其热导率只有 56.8 W/(mK)。用高纯度的 α-Si3N4 粉末为原料，也能制得高热导率的氮化硅陶瓷。Duan 等以 α-Si3N4 为原料，制备了密度、导热系数、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为 3.20 gcm-3 、60 W/(mK)、668 MPa、5.13 MPam1/2 和 15.06 GPa的Si3N4 陶瓷。Kim 等以 α-Si3N4为原料制备了热导率为78.8 W/(mK)的氮化硅陶瓷。刘幸丽等以不同配比的 β-Si3N4/α-Si3N4 粉末为起始原料，制备了热导率为108 W/(mK)、抗弯强度为 626 MPa的氮化硅陶瓷。结果表明:随着 β-Si3N4 粉末含量的增加，β-Si3N4柱状晶粒平均长径比的减小使得晶粒堆积密度减小，柱状晶体积分数相应增加，晶间相含量减少，热导率提高。彭萌萌等研究了粉体种类(β-Si3N4或 α-Si3N4)及 SPS 保温时间对氮化硅陶瓷热导率的影响。研究发现，采用 β-Si3N4粉体制备的氮化硅陶瓷的热导率比采用相同工艺以 α-Si3N4为粉体制备的氮化硅陶瓷高 15% 以上，达到了 105W/(mK)。不同原料制备的Si3N4材料的热导率比较见表1。表 1 不同原料制备的 Si3N4材料的热导率比较综合以上研究可发现，采用 Si 粉为原料制得的样品能达到很高的热导率，但是在研磨的过程中容易发生氧化，而且实验过程繁琐，耗时较长，不利于工业化生产 使用高纯度、低含氧量的 α-Si3N4粉末为原料时，由于原料本身纯度高，能制备出性能优异的氮化硅陶瓷，但是这样会导致成本增加，不利于大规模生产 虽然可以用 β-Si3N4 取代 α-Si3N4为原料，得到高热导率的氮化硅陶瓷，但是 β-Si3N4的棒状晶粒会阻碍晶粒重排，导致烧结物难以致密。1.2 烧结助剂选择Si3N4属于共价化合物，有着很小的自扩散系数，在烧结过程中依靠自身扩散很难形成致密化的晶体结构，因此添加合适的烧结助剂和优化烧结助剂配比能得到高热导率的氮化硅陶瓷。在高温时烧结助剂与Si3N4表面的 SiO2反应形成液相，最后形成晶界相。然而晶界相的热导率只有 0.7～1 W/(mK)，这些晶界相极大地降低了氮化硅的热导率，而且一些氧化物烧结添加剂的引入会导致 Si3N4晶格氧含量增加，也会导致热导率降低。目前氮化硅陶瓷的烧结助剂种类繁多，包括各种稀土氧化物、镁化物、氟化物和它们所组成的复合烧结助剂。稀土元素由于具有很高的氧亲和力而常被用于从 Si3N4晶格中吸附氧。目前比较常用的是镁的氧化物和稀土元素的氧化物组成的混合烧结助剂。Jia 等在氮化硅陶瓷的烧结过程中添加复合烧结助剂 Y2O3-MgO，制备了热导率达到 64.4W/(mK)的氮化硅陶瓷。Go 等同样采用 Y2O3-MgO为烧结助剂，研究了烧结助剂 MgO 的粒度对氮化硅微观结构和热导率的影响。研究发现，加入较粗的 MgO 颗粒会导致烧结过程中液相成分分布不均匀，使富 MgO 区周围的 Si3N4晶粒优先长大，从而导致最终的 Si3N4陶瓷中大颗粒的 Si3N4晶粒的比例增大，热导率提高。然而，加入氧化物烧结助剂会不可避免地引入氧原子，因此为了降低晶格中的氧杂质，可以采用氧化物 + 非氧化物作为烧结助剂。Yang 等以 MgF2-Y2O3为烧结添加剂制备出性能良好的高导热氮化硅陶瓷，发现用 MgF2可以降低烧结过程中液相的粘度，加速颗粒重排，使粉料混合物能够在较低温度(1600℃)和较短时间(3 min)内实现致密化，而且低的液相粘度与高的 Si、N 原子比例有助于 Si3N4 的 α→β 相变和晶粒生长，从而提高 Si3N4 陶瓷的热导率。Hu 等分别以 MgF2-Y2O3和 MgO-Y2O3为烧结助剂进行了对比试验，并探究了烧结助剂的配比对热导率的影响。相比于 MgO-Y2O3，用 MgF2-Y2O3作为烧结助剂时 Si3N4陶瓷热导率提高了 19%，当添加量为 4%MgF2 -5%Y2O3时，能达到最高的热导率。Li 等以 Y2Si4N6C-MgO 代替 Y2O3 -MgO 作为烧结添加剂，通过引入氮和促进二氧化硅的消除，在第二相中形成了较高的氮氧比，导致在致密化的 Si3N4 试样中颗粒增大，晶格氧含量降低，Si3N4 -Si3N4 的连续性增加，使Si3N4 陶瓷的热导率由 92 W/(mK)提高到 120 W/(mK)，提高了 30.4%。为了进一步提高液相中的氮氧比，降低晶格氧含量，通常还采用非氧化物作为烧结助剂。Lee 等研究了氧化物和非氧化物烧结添加剂对 Si3N4 的微观结构、导热系数和力学性能的影响。以 MgSiN2 -YbF3 为烧结添加剂，制备出导热系数为 101.5 W/(mK)、弯曲强度为822～916 MPa 的 Si3N4 陶瓷材料。经研究发现，相比于氧化物烧结添加剂，非氧化物 MgSiN2 和氟化物作为烧结添加剂能降低氮化硅的二次相和晶格氧含量，其中稀土氟化物能与 SiO2 反应生成 SiF4，而SiF4 的蒸发导致晶界相减少，同时也会导致晶界相 SiO2 还原，降低晶格氧含量，进而达到提高热导率的目的。不同烧结助剂制备的氮化硅陶瓷热导率比较见表 2，显微结构如图 4所示。表 2 不同烧结助剂制备的 Si3N4材料的热导率比较图 4 氧化物添加剂(a)MgO-Y2O3 和(d)MgO-Yb2O3、混合添加剂(b)MgSiN2 -Y2O3 和(e)MgSiN3 -Yb2O3 、非氧化物添加剂(c)MgSiN2 -YF3 和(f)Mg-SiN2 -YbF3 的微观结构目前主流的烧结助剂中稀土元素为 Y 和 Yb 的化合物，但是有些稀土元素并不能起到提高致密度的作用。Guo等分别用 ZrO2 -MgO-Y2O3和 Eu2O3 -MgO-Y2O3作为烧结助剂，制得了氮化硅陶瓷，经研究发现 Eu2O3 -MgO-Y2O3的加入反而抑制了氮化硅陶瓷的致密化。综合以上研究发现，相比于氧化物烧结助剂，非氧化物烧结助剂能额外提供氮原子，提高氮氧比，促进晶型转变，还能还原 SiO2 起到降低晶格氧含量、减少晶界相的作用。1.3 碳的还原前面提到的一些能高效降低晶格氧含量的烧结助剂，如Y2Si4N6C和 MgSiN2 等，无法从商业的渠道获得，这就给大规模生产造成了困扰，而且高温热处理也会导致高成本。因此，从工业应用的角度来看，开发简便、廉价的高导热 Si3N4 陶瓷的制备方法具有重要的意义。研究发现，在烧结过程中掺杂一定量的碳能起到还原氧杂质的作用，是一种降低晶格氧含量的有效方法。碳被广泛用作非氧化物陶瓷的烧结添加剂，其主要作用是去除非氧化物粉末表面的氧化物杂质。在此基础上，研究者发现少量碳的加入可以有效地降低 AlN 陶瓷的晶格氧含量，从而提高 AlN 陶瓷的热导率。同样地，在 Si3N4 陶瓷中引入碳也可以降低氧含量，主要是由于在氮化和后烧结过程中，适量的碳会起到非常明显的还原作用，能极大降低 SiO 的分压，增加晶间二次相的 N/O 原子比，从而形成双峰状显微结构，得到晶粒尺寸大、细长的氮化硅颗粒，提高氮化硅陶瓷的热导率。Li 等用 BN/石墨代替 BN 作为粉料底板后，氮化硅陶瓷的热导率提升了 40.7%。研究发现，即使 Si 粉经球磨后含氧量达到了 4.22%，氮化硅陶瓷的热导率依然能到达 121 W/(mK)。其原因主要是石墨具有较强的还原能力，在氮化的过程中通过促进 SiO2 的去除，改变二次相的化学成分，在烧结过程中进一步促进 SiO2 和 Y2Si3O3N4 二次相的消除，从而使产物生成较大的棒状晶粒，降低晶格氧含量，提高 Si3N4 -Si3N4 的连续性。研究表明，虽然掺杂了一部分碳，但是氮化硅的电阻率依然不变，然而最终的产物有很高的质量损失比(25.8%)，增加了原料损失的成本。Li 等发现过量的石墨会与表面的 Si3N4 发生反应，这是导致氮化硅陶瓷具有较高质量损失比的关键因素。于是他们改进了制备工艺，采用两步气压烧结法，用 5%(摩尔分数) 碳掺杂 93%α-Si3N4 -2%Yb2O3

根据羊城晚报，东莞材料基因高等理工研究院下属的增材制造中心，成功开发了一种新型3D打印高导热模具钢粉末材料并实现了中试生产。该款材料的研发面向航空航天、汽车和工业模具等高端领域行业需求，依托省基础与应用基础重大项目开展。未来，有望在消费电子、医疗和汽车模具等领域展开应用，可实现降本增效，加速东莞模具制造的转型升级。▲3D打印高导热粉末材料让模具生产“冷静而高效”进入增材制造中心，首先看到的是金属3D打印机、研究级金相显微镜、场发射扫描电镜、FIB场发射双束扫描电镜和洛氏硬度计等多台专业设备。“这些设备花费2000多万元，为新材料开发提供了必要的条件。”增材制造中心主任李相伟博士表示，要研发、制备出符合工业生产需要的高导热粉末材料，需要解决材料硬度、耐腐蚀、高导热性能匹配问题，以及满足大批量生产面临的成本要求。这就需要从材料成分设计出发，借助专业的研发设备，优化制备工艺，改善材料内部的微观组织，提升材料的力学性能。▲研究人员在操作粉末床3D打印设备从2019年开始，10多人的团队，经过3年时间的研发，高导热粉末材料进入“中试”阶段。“目前，高导热粉末材料已完成数百公斤生产，并与广东某龙头企业合作，采用金属3D打印技术，实现高导热随形冷却模具的制备和验证。”李相伟表示。模具素有“工业之母”的美誉，在工业生产中具有重要作用。模具温度不仅影响产品缺陷，而且零件冷却耗时长，占到整个注塑成型周期的60%-70%。▲研究人员进行新材料研究增材制造中心的高导热材料的研发，将促进东莞模具行业转型升级。“高导热3D打印随形冷却模具，可改善模具温度平衡，降低注塑周期，提高生产效率，显著提升产品品质和模具的使用寿命。”李相伟表示。谁掌握了材料，谁就掌握了未来。进入中试阶段后，随着新材料的量的大幅增加，增材制造中心的技术成果落地将加速推进，还将助力其所在地东莞松山湖科学城构建全链条全过程全要素科创生态体系。

近日，由省计量院设计开发的《一种基于石墨烯材料散热膜的散热性能测试平台》获国家版权局著作权登记。该软件主要适用于高热导率薄膜材料导热系数的精密测量，对解决未来高效电子集成产品系统散热问题和热管理具有现实意义。据悉，该测试平台软件有助于实现对石墨烯散热膜的热物性、散热性能提供真实可靠的综合评价；开展石墨烯散热材料的计量数据库建设，提高石墨烯材料热物性检测水平，推动材料热物性量值传递与溯源能力的建立和完善，缩小新材料产业与发达国家的差距奠定良好基础。石墨烯是碳的一种同素异形体，它的特殊结构使它具有超强的机械强度、高导热率、高透光率、高比表面积等特点。石墨烯具有极高导热系数，有很大的工程应用价值，其热学性能研究正逐渐成为其科学研究的一个重要方面。石墨散热膜是目前广泛应用的一种散热材料，其各方向导热均匀，且质量较轻，有良好的绝缘性，可以与电子产品的热源点柔性贴合，并且不会屏蔽信号，高热导率可迅速降低发热点温度，能够有效改进电子产品的发热问题。

近日，中国电科33所与大同墨西科技有限责任公司通过对石墨烯电磁屏蔽涂料及其工程应用技术的联合研究，在国内首次将石墨烯电磁屏蔽涂料应用于屏蔽工程，并完成了石墨烯电磁屏蔽涂料屏蔽防护样板间的施工，屏蔽效能达到40dB，可实现电磁波阻隔99.99%。石墨烯是一种碳六元环组成的蜂窝状二维纳米材料，sp²杂化碳原子贡献的可自由移动的电子赋予了石墨烯优异的导电性和导热性，在电磁屏蔽领域拥有广泛的应用价值。石墨烯电磁屏蔽涂料不含有金属元素，具有比重小（～0.36g/cm³）、耐腐蚀性好、稳定性高、成本低廉等特点。石墨烯屏蔽涂料区别于传统的钢结构六面体式屏蔽结构，在常规房间内进行综合电磁防护设计后，在墙面上涂覆该屏蔽涂料，结合其它电磁防护产品，配合电磁防护手段，可实现40dB以上的屏蔽效果。石墨烯屏蔽涂料施工工艺简单、房屋面积利用率高，相比传统的钢结构均有显著的优势，有着广阔的前景。目前，该方案已经在山西多单位开展应用。