手机散热用氧化石墨烯制备方法 成本更低性能更好

在智能手机向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下，为了应对处理器算力快速提升，整机功耗急剧增加，但产品内部散热空间却越来越狭小的困境，近几年，智能手机的散热技术不断更迭优化，出现多样化的散热方案。其中石墨烯散热膜自2018年首次被华为应用于Mate 20 X手机之后，国内智能手机的散热膜应用逐渐从石墨膜渐趋向于石墨烯膜，特别是在旗舰机、游戏机上，石墨烯膜市场逐渐白热化，并逐步成为主流散热技术之一。

为什么应用逐渐从石墨膜渐趋向于石墨烯膜？

在石墨烯散热膜逐渐成为热门散热材料之前，主流电子散热材料主要是石墨散热膜，这两者同为碳系导热材料，但在制备工艺和性能上还是有所差异，而手机厂商纷纷布局石墨烯膜，也是因为它在这两个方面有着明显优势。

1.原材料资源自主可控，成本低

高导热石墨膜早在2011年就开始大规模应用于智能手机，之后一直是智能手机散热的标配。为了利用石墨结构的超高平面热导率，高导热石墨膜主要采用PI类薄膜碳化-石墨化法的技术路线制备，即将聚酰亚胺(PI)在惰性气氛下加压碳化、经2800-3200℃的石墨化处理，再延压至一定薄度制得。因为该技术路线中需要以高质量的聚酰亚胺薄膜为原材料，而其研发、生产具有较高的技术壁垒，目前主要由美国杜邦、日本宇部兴产、日本钟渊化学和韩国SKPI等厂商垄断，占据全球80%以上的市场份额，价格普遍偏高，所以业界一直希望能够找到其它替代方案解决原材料受技术封锁的问题。

石墨膜产业链（来源：雪域资本）

高导热石墨烯膜的规模化制备则一般使用氧化石墨烯作为前驱体，通过超声分散形成均匀分布的GO水溶液后，经真空抽滤、湿法纺丝、蒸发、刮涂等方法制备出氧化石墨烯薄膜，再利用还原剂将其还原制得。由于其原材料氧化石墨烯为石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，相较聚酰亚胺(PI)薄膜，制备较为容易，成本较低，因此石墨烯散热膜是我国摆脱对人工石墨散热膜原材料聚酰亚胺膜进口依赖，也是消除国际贸易对散热膜产品影响的重要途径。

原氧化石墨烯法生产石墨烯散热膜工艺流程（来源：富烯科技）

2.石墨膜散热效能的提升空间已较小

尽管相对于其他技术路线制备的石墨散热膜，PI类薄膜碳化-石墨化法在机械拉伸强度、结构完整性、晶型结构缺陷和碳原子有序程度等方面表现较为出色，但由于受到聚酰亚胺分子取向度的限制，该方法仅在薄膜较薄时才能实现较高的热导率700-1950W/（m·K）。因此，人工石墨膜的厚度相对较小（25~60μm），且散热效能的进一步提升空间有限。

石墨烯和石墨的结构区别：石墨烯是石墨的单层结构，石墨烯的二维结构限制了散射中的维度，导热性更好

相比之下，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜实际热导率虽也已经达到1500-2000W/（m·K），但石墨烯散热膜的散热性能理论值可达5300W/（m·K），散热效能的提升空间还有很大，随着研究攻关的推进，石墨烯散热膜的实际散热效能还将进一步提升。同时，由于石墨烯膜是通过有序堆叠氧化石墨烯(GO)纳米片以及随后的还原/石墨化来获得的，结构完整有序，热导率受厚度影响较小，因此其厚度在大范围内（10-300nm）可调，厚度较小的石墨烯膜可以适应智能手机内较小的散热空间，而在一些缝隙较大的机型上，厚度较大的石墨烯膜不仅可以更好地填满手机与机壳之间的缝隙，减小热阻，还可以扩大平面内导热通量。此外，在机械拉伸强度上，石墨烯薄膜也有极大的优势，几乎是石墨薄膜三倍，高达70mPa。

石墨烯材料在热管理领域的应用潜力

其中，以石墨烯导热膜为代表的石墨烯散热材料是是当前热管理领域最具有前景的新型散热材料之一，是工信部鼓励首批次示范应用的前沿新材料。

市场规模与增长引擎

智能手机：主导市场，5G与折叠屏是核心引擎

2025年全球智能手机石墨烯散热膜市场规模预计达30亿元。其中，5G手机贡献26.4亿元（渗透率约60%），4G手机占3.6亿元。

核心驱动力：5G手机散热需求升级，推动单机石墨烯膜使用面积从2020年约100cm²/部增至2025年预估200cm²/部。

折叠屏新引擎：华为Mate Xs等折叠旗舰利用石墨烯膜的耐弯折特性适配铰链区域散热。苹果2024年iPad Pro首次应用石墨片+铜复合材料（散热性能提升20%），标志着主流巨头技术路线向石墨基材料倾斜，为石墨烯应用打开更大想象空间。

新能源与新兴领域：需求崛起，潜力巨大

新能源汽车：动力电池包散热管理成为增量市场，重庆金美石墨烯复合集流体通过特斯拉认证，可提升电池能量密度30%，2025年订单预计增长300%。

航天与高端装备：火箭发动机喷管内衬采用高纯度石墨烯（“三高”石墨），耐受数千度高温；商业航天写入2024年政府工作报告，加速材料替代进程。

医疗健康：烯旺科技医疗级发热膜获二类医疗器械认证，开辟生物医学新场景。

石墨烯导热膜领域主要公司情况

石墨烯导热膜的制备工艺

尽管石墨烯拥有超高的热导率（～5300W/m·K），显示其在热管理领域的潜在价值，但若要将其应用于宏观材料中实现导热的各项异性，首选的做法是通过组装的方式将石墨烯堆叠成具有类石墨结构的导热膜。因此，石墨烯散热材料通常是以石墨烯散热膜或导热膜的形式存在。

石墨烯可以通过机械剥离、液相剥离、化学氧化、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）法等方法制备而成。由于大多数的方法制备的是石墨烯或氧化石墨烯粉末，所以将粉末转化为涂层或膜是研究的焦点。石墨烯散热膜可采用气相沉积、涂布法、真空抽滤法、自组装等方法制备而成，其中涂布法是工业化应用的主要方法。

1.涂布法（工业化首选）

核心操作：将石墨烯（或还原氧化石墨烯）分散液，通过刮刀、辊涂、喷涂等方式均匀涂覆在基底（如PET）上，经干燥、固化后形成薄膜。

关键特点：操作简单、可连续化生产（适配卷对卷工艺），成本适中，膜厚易控制，适合大面积制备。

适用场景：中高端电子设备散热、柔性散热膜、批量生产的散热配件。

核心设备：涂布机（刮刀/辊涂/喷涂型）、干燥箱、收卷机。

2.真空抽滤法

核心操作：将石墨烯分散液倒入铺有滤膜（如聚四氟乙烯滤膜）的真空抽滤装置，通过负压使液体快速渗透，石墨烯片在滤膜表面沉积形成薄膜，后续剥离滤膜即可。

关键特点：薄膜密度高、结构均匀，导热性能稳定，但生产效率较低，适合中小批量或高精度薄膜。

适用场景：高性能散热器件、实验室样品制备、需要高密度薄膜的场景。

核心设备：真空抽滤机、滤膜、干燥器。

3.自组装法

核心操作：利用石墨烯片（或氧化石墨烯）表面的静电作用、氢键等，让其在溶液中自发排列成有序的薄膜结构，再经干燥、还原（若为氧化石墨烯）固化。

关键特点：薄膜有序性好、厚度均匀，无需复杂设备，但规模化难度大，适合精密薄膜制备。

适用场景：微型电子器件散热、高精度柔性散热膜、实验室定制样品。

核心设备：反应容器、恒温箱、离心机（辅助分散）。

4.气相沉积法（直接成膜）

核心操作：即CVD法的成膜环节，高温下碳源气体在催化剂基底（铜箔/镍箔）表面直接生长石墨烯薄膜，后续通过转移工艺贴合到目标基底。

关键特点：薄膜纯度高、导热性能最优，可制备大面积连续膜，但转移工艺复杂、成本较高。

适用场景：高端电子设备（手机、笔记本）、新能源汽车电池散热、航空航天散热。

核心设备：CVD高温炉、真空系统、气体控制系统、转移辅助设备（如PMMA涂覆机）。

CVD法制备少层石墨烯流程（来源：雷索新材料）

5.压延/热压成型法

核心操作：将石墨烯粉体与粘结剂（如树脂）混合制成坯料，通过压延机或热压机在一定温度、压力下压制成型，再经固化处理获得薄膜。

关键特点：工艺简单、成本低，适合制备较厚的散热膜或复合膜，但薄膜致密性和导热性能略低于其他方法。

适用场景：中低端电子设备散热、大型器件散热垫片、低成本批量产品。

核心设备：压延机、热压机、混合搅拌机、固化炉。

热压复合设备

高精度压延辊

石墨烯膜未来该往什么方向突破？

目前石墨烯导热膜的制备仍有很多关键技术亟待突破，例如大片径氧化石墨烯批量合成技术、石墨烯微观缺陷修复技术、超厚氧化石墨烯膜快速组装技术等。

1.大片径、高单层率氧化石墨烯批量合成技术

氧化石墨烯的高定向自组装是实现石墨烯膜高导热性能的核心，而要实现氧化石墨烯的高定向自组装，则要求氧化石墨烯微片单层率超过90%，目前高单层率氧化石墨烯的制备面临着氧化成本高、易团聚的难题。除此之外，为了减少界面散射的发生，需要尽可能制备出大片径的单层石墨烯，但大片径石墨烯的制备需要大片径氧化石墨烯作为原材料，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。

石墨烯微观结构

2.石墨烯微观缺陷修复技术

石墨烯中在制备、组装和后处理过程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能团等）也会使声子散射，限制了单层石墨烯在尺寸作用下热导率的增长，石墨烯中在制备、组装和后处理过程中引入的很多缺陷（空位、晶界、官能团等）也会使声子散射，因此，要提高石墨烯材料的导热性能，需要尽最大可能修复石墨烯材料微观结构的缺陷，制备出石墨烯片排列有序、片间接触紧密、结构缺陷少的石墨烯薄膜，增大声子的平均自由程，从而提高热导率。

石墨烯晶格中可能存在的缺陷

3.超厚氧化石墨烯快速组装技术

由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案除了要求散热膜具有较高的热导率，还有必要提升散热膜的厚度，从而提高平面方向的导热通量。而要提高散热膜的厚度，依赖于超厚氧化石墨烯的组装，如何在组装过程中实现氧化石墨烯的规整堆叠和较窄的片层间距，以确保性能的稳定性和可控性，是目前一个具有挑战性的问题。

GO纳米片组装过程

石墨烯具有超高的面内热导率，在高速飞行器、微电子器件等热管理领域得到了一定的应用，但因其存在各向异性，目前仍存在很多亟需解决的问题，如CVD法加工工艺复杂，成本较高，氧化还原法热导率与理论值相差甚远等关键问题。因此，探索新方法、提高性能、降低成本并进一步推动石墨烯导热薄膜在可穿戴电子设备、电子器件、交通航空等领域的应用和产业化将是未来主要的研究方向。

文章参考资料：粉体圈、广东功能膜材料工业设计研究院、瓜州工业微刊、新材料纵横