2022-02-14476
石墨烯导热散热涂料是提高物体表面的散热速度和效率，降低材料表面温度的特种工业涂料。通过传导散热、对流散热、辐射散热、蒸发散热等4种主要方式传递热量，降低基材温度。由于目前材料科学与工程的快速发展，使得测试仪器、生产设备、零部件的设计、生产向着轻量化、小型化、集成化、高效化方向发展，尤其是超大规模集成电路的高速发展，使得电子器件的高功率密度特征越来越明显，由此电子器件表面产生的大量热量将直接影响到电子器件的工作稳定性和使用寿命。目前常规的冷却系统和散热材料所能达到的效果受到极大挑战，相同的问题出现在在汽车、新能源、军工、核工业、农业、化工、电子通讯、信息工程等领域。
一般的散热涂料是以聚合物作为基材，再加入一些导热性能好的金属填料包括传统的金、铜、铝等，以及一些导热系数较高的非金属填料如氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳纤维、碳化硅、碳纳米管等。石墨烯纳米涂料材料是在现有的涂料体系中加入石墨烯而成的复合涂料，它拥有优异的导热散热性能。
将石墨烯涂料涂覆于金属基材上能大大提高其热辐射系数，加快热交换效率;同时石墨烯的独特片层结构使涂层具备更优异的防腐蚀性能，极大地提高了产品的使用寿命。
石墨烯导热涂料，用在金属元器件上，大大增大了导热效率，石墨烯涂料导热与普通涂料相比导热性大大提高，而且能保留良好的机械性能。近年来，许多科研工作者将石墨烯复合涂料应用于导热散热领域，每年都有数以千计的文章和专利发表。根据文献内容，通过特殊方法制备的石墨烯/聚偏二氯乙烯导热复合薄膜，当石墨烯添加量达到20%(质量分数)时，材料热导率从0.18W/(m·K)提高到了0.562W/(m·K)。用液体法制备的石墨烯-硅橡胶导热复合材料，当石墨烯添加量为9%(质量分数)时，材料热导率由0.17W/(m·K)提高到了0.32W/(m·K)。
石墨烯涂料在涂刷后能大大提高基材的热辐射系数并达到热辐射系数0.9以上(理论值接近1)，大大加快了热交换效率。石墨烯辐射散热降温涂料能够以1～13.5μm波长形式辐射带走基材表面的热量，降低器件表面温度，提高器件的使用寿命和稳定性，与颗粒状的其它散热填料相比，更容易形成导热网络，对涂层增强增韧效果明显。
石墨烯LED导热散热
随着科技的发展，发光二极管(LED)因高亮度、低能耗、生命周期长等优点而风靡全世界，在很多应用领域迅速取代了白炽灯和荧光灯。但是LED不会自发向外辐射热量，LED会在半导体的连接处产生大量热量，长时间的热量积累后，LED的使用寿命会迅速衰减，即使是低功率的LED也会有此问题。随着我们对LED灯及其照明设备提出更高功率的需求，如何控制LED表面的温度成为了LED大规模应用的一大挑战。由于LED灯丝灯的结构没有多余的散热结构件，只能依靠气体和外壳散热。根据热传导学3要素(传导、对流和辐射)来看，目前灯丝灯没有传导，只有对流和辐射。但是主要还是对流散热，辐射的比例很小。如果把石墨烯的技术导入到灯丝灯里，利用石墨烯的热辐射特性来增加灯丝灯的散热性，来延长灯丝灯的使用寿命。
为了验证石墨烯的热辐射性能，通过在相同的铜片上涂石墨烯和不涂进行对比试验，测试黑体辐射性能，通过图像观察可以看到涂有石墨烯的片区，它的热辐射特性非常明显，没有涂抹石墨烯的区域，没有明显的热辐射特性。当把石墨烯涂在铜箔或者是铝箔表面上时，同时对比热成像实验，结果是一致的，所以石墨烯具有比较好的热辐射特性。基于试验得到的结果，将石墨烯用在灯丝的背部位置的金属基板上，LED加热产生的热量通过石墨烯把热量辐射出去，同时利用泡壳内的导热气体来实现有效的对流、降低温度。根据涂石墨烯和不涂石墨烯产品的对比，可以看到涂有石墨烯的芯片结温温度比没有涂石墨烯的结温低3～5℃，这样可以看到明显地降低芯片的结温，从而能够延长灯丝的寿命。
当前，随着LED市场的逐渐成熟和竞争的逐渐白热化，如何降低成本，提高LED使用寿命，进而制造出更高性能的LED产品已经成为企业追逐的方向和目标。将石墨烯应用到LED领域，“石墨烯+LED”将为LED产业的发展带来了一个新的亮点。目前英国曼彻斯特大学石墨烯研究院研制的基于石墨烯技术的全新LED灯泡，使用寿命更长，平均价格更低，这对石墨烯在LED领域的应用起到了先河作用，清华大学和北京理工大学的相关石墨烯团队也加大了石墨烯在LED应用领域的研发。