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1m、面积为1m2 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) 。

　　研究人员通过研究声子的弛豫时间以及弛豫时间随波矢、频率和温度的变化关系发现，声学声子对热导率的贡献可高达95%。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。Lindsay等认为，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。目前，常用的导热材料中，铝箔的热导率为160W/mK，铜的热导率为380W/mK，单壁碳纳米管( SWCNTs) 的热导率为3500W/mK，多壁碳纳米管( MWCNTs ) 的热导率为3000W/mK，金刚石的热导率在1000 ～ 2200 W/mK 之间。研究结果表明，单层石墨烯拥有高达5000W/mK 的热导率。不同形态石墨烯材料的热导率见表1。

　　从表1 可以发现，不同状态下石墨烯的热导率有很大差别，接下来重点介绍石墨烯热导率的主要影响因素。

　　声子的传输模式和散射机制对石墨烯的热导率有重要影响，热导率主要由石墨烯声子频率、声子自由程、声子作用过程等因素决定。研究发现影响热导率的因素有缺陷、基底及边缘等。

　　运用分子动力学研究发现，缺陷密度对热导率有显著影响，尤其当缺陷态浓度较低时此影响更加明显，导致这一现象的原因是声子平均自由程的减小。在石墨烯中存在单原子缺失和Stone-Wales 位错两种缺陷，研究者分别研究了单原子缺陷浓度与Stone-Wales 缺陷浓度对石墨烯热导率的影响。结果表明，单原子缺陷浓度达到0. 175%时，石墨烯的热导率降低到原来的一半;当Stone-Wales 位错浓度到达0. 3% 时，石墨烯的热导率也同样降低到原来的一半。

　　当二维材料与基底接触时，热导率会明显减小，导致这一结果的原因是热传导主要是靠声子传导，当石墨烯与基底接触时表面或边缘扰动会变得非常敏感。有研究指出，处于悬浮状态的单层石墨烯的热导率为5000W/mK，当单层石墨烯与SiO2基底接触时，其热导率则降至600W/mK，当其被SiO2包裹时，热导率仅为160W/mK。

　　2010 年William 等采用平衡分子动力学模型计算了平滑边缘和粗糙边缘石墨烯纳米带的热导率( 如图1 所示) ，对于宽度相同的石墨烯纳米带，平滑边缘纳米带的热导率大于粗糙边缘纳米带的热导率。同时他们发现，粗糙边缘纳米带的热导率与纳米带尺寸紧密相关，当石墨烯纳米带宽度小于5nm 时拥有很高的热导率，当尺寸大于5nm 时，石墨烯纳米带热导率则分布在8000 ～10000 W/mK 之间( 如图2 所示) 。

　　利用化学气相沉积制备的石墨烯，其散热效果不仅取决于石墨烯片的大小及层数，而且在转移的过程中很容易引入杂质或产生褶皱和裂纹，这些也会影响石墨烯散热片的散热效果。对于化学气相沉积制备的石墨烯，当务之急是提高质量和优化转移方法，减少其转移过程中的损坏。而从长远看，直接将石墨烯生长在功率芯片表面而非通过转移的方法，是提高其散热效果的根本。

　　通过还原氧化石墨所得的石墨烯薄膜，其热导率和热还原的温度、化学还原时所用化学品等因素有关，一般其热导率可超过1000 W/(m·K)。这是一种非常有前途的大规模制备石墨烯导热膜的方法。

　　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最活跃的领域之一，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。

　　从实际应用的角度看，石墨烯需要和基板接触，因此，减少石墨烯薄膜和基板之间的接触热阻是石墨烯热管理应用必须考虑的问题。

　　目前，高导热散热主要是靠石墨薄膜来解决。从产业化的角度来看，石墨烯薄膜要进入市场，性能既要比石墨薄膜好，价格又要更有优势，才能取代石墨薄膜。这对石墨烯薄膜的产业化是极大的挑战。但是，一旦实现，石墨烯将可能进入一个至少具有20 个亿的高功率器件的散热应用市场。返回搜狐，查看更多