電子設備小型化與集成化帶來功率密度提升，使高效散熱成為制約設備性能與壽命的關鍵。目前高功率器件熱流密度可達1000 W cm?²，散熱挑戰嚴峻。導熱石墨烯薄膜能快速均布熱量，已應用于消費電子。為應對更高熱流，需發展厚度達數百微米的石墨烯厚膜。傳統制備方法中，增加厚度常導致導熱性驟降；商用厚膜多通過粘合多層石墨烯或其氧化物實現，但存在界面結合弱、熱阻高、高溫穩定性差等問題。民用領域對熱管理要求相對溫和，而軍工航天等極端環境則要求材料兼具輕質、高導熱與長期穩定。因此，開發界面結合牢固、結構穩定的厚膜制備技術具有重要意義。
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圖 1. (a) 真空蒸發機制示意圖。(b) GFs 與 GFs-Ag 的實物照片。(c) GTFs 及 GTFs-Ag 的制備流程示意圖。(d) GTF-Ag 200 的熱導率與膜厚同現有報道工作的比較。(e) GTF-Ag 200 的 k × h 值與其他已報道 GTFs 的比較。
該段文字是對圖 1 的完整說明，包含五個子圖的描述：
1. **圖 (a)** 展示了制備工藝中**真空蒸發**的機理，說明如何通過物理氣相沉積形成納米銀層。
2. **圖 (b)** 提供了**直觀的視覺對比**，通過實物照片呈現石墨烯薄膜鍍銀前后的外觀差異。
3. **圖 (c)** 為**制備全流程示意圖**，概括了從單層鍍銀到多層熱壓成厚膜的關鍵步驟。
4. **圖 (d)** **突出性能優勢**，通過將本文制備的 GTF-Ag200 的熱導率與膜厚同文獻數據對比，凸顯其在厚膜條件下仍保持超高導熱性。
5. **圖 (e)** 引入 **k × h 值（熱導率與厚度的乘積）作為熱通量承載能力的關鍵指標**，進一步證明 GTF-Ag200 在高熱流散熱應用中的優越性。
整段圖文結合，系統地展示了該研究的制備方法、直觀形貌、工藝路線，并通過與現有研究的定量對比，有力證明了其制備的厚膜在導熱綜合性能上的突破。
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圖 2. （a）GF 與 GFs-Ag 的表面粗糙度。（b–e）樣品表面形貌的 SEM 圖像：（b）GF，（c）GF?Ag??，（d）GF?Ag???，（e）GF?Ag???。（f–g）GFs-Ag 的 XRD 圖譜。
這段文字是對圖2各子圖的說明，主要圍繞材料表面特征與微觀結構進行表征：
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圖（a） 展示了表面粗糙度的定量對比，通過對比原始石墨烯膜（GF）與不同厚度鍍銀石墨烯膜（GFs-Ag）的表面粗糙度數據，為后續分析界面結合與形貌變化提供基礎。
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圖（b–e） 通過掃描電子顯微鏡圖像直觀呈現了不同樣品的表面形貌。從原始GF的典型褶皺結構（b），到不同銀層厚度（50 nm、100 nm、200 nm）下表面形貌的演變（c–e），可觀察銀納米顆粒的覆蓋情況、分布均勻性及其對表面形貌的影響。
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圖（f–g） 為X射線衍射圖譜，用于分析 GFs-Ag 的晶體結構。該部分內容通常用于確認銀的結晶狀態、晶粒尺寸，并檢測是否存在氧化銀等副產物，從而評估鍍銀層的質量與熱壓過程中的結構變化。
整體而言，圖2通過表面粗糙度測量、SEM形貌觀察與XRD物相分析相結合，系統地表征了銀層厚度對石墨烯膜表面微觀結構與晶體性質的影響，為理解界面結合機制與后續熱學性能分析提供了重要的結構依據。
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圖3. 經200°C處理后GFs-Ag膜表面的SEM圖像：(a) GF-Ag??，(b) GF-Ag???，(c) GF-Ag???。經300°C處理后GFs-Ag膜表面的SEM圖像：(d) GF-Ag??，(e) GF-Ag???，(f) GF-Ag???。經300°C處理后GFs-Ag膜橫截面的SEM圖像：(g) GF-Ag??，(h) GF-Ag???。(i) GF與Ag處于平衡分離狀態示意圖。
這段文字系統描述了圖3中不同熱處理條件下石墨烯-銀復合膜表面與截面形貌的演變：
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溫度梯度對比（a–f）：通過設置 200°C 與 300°C 兩個處理溫度，直觀展示了溫度對銀層形貌演化的影響。從圖中可觀察到，隨著溫度升高，銀納米顆粒發生熔融、聚集與再分布，表面形貌從離散顆粒逐漸向連續層狀結構轉變，為理解銀層在不同溫度下的燒結行為提供了直觀證據。
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厚度梯度對比（a/b/c與d/e/f）：在相同溫度下，對比不同銀層厚度（50?nm、100?nm、200?nm）樣品的表面形貌，揭示銀層厚度對形成連續、致密界面的影響。較厚的銀層（如GF-Ag???）在高溫下更易形成連續覆蓋層，這與后續界面結合強度與熱性能的優化直接相關。
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截面形貌分析（g–h）：展示300°C處理后樣品的橫截面SEM圖像，可直觀觀察銀層與石墨烯基體的界面結合狀態、銀層厚度與均勻性，以及是否存在界面缺陷或分層，為評估界面結構與結合質量提供直接證據。
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界面狀態示意圖（i）：通過“GF與Ag處于平衡分離狀態”的示意圖，形象說明石墨烯與銀之間在熱力學上的界面能平衡關系，為后續計算粘附功、解釋界面穩定性提供理論依據。
整體而言，圖3通過多溫度、多厚度、表面與截面相結合的系統形貌表征，深入揭示了銀層在熱處理過程中的結構演變規律與界面形成機制，為闡明“無縫納米銀鍵合”策略的可行性及其對復合膜性能的增強作用提供了關鍵的微觀結構證據。
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圖4. （a）GTF-Ag???截面的SEM圖像及對應的Ag與C元素面分布圖。（b）T型剝離強度測試示意圖。GF表面的光學顯微鏡圖像。剝離后GTFs與GTFs-Ag的表面及其對應的光學顯微鏡圖像。（c）GTFs與GTFs-Ag的剝離應力-距離曲線。（d）拉伸剪切強度測試示意圖。（e）GTF與GTFs-Ag的拉伸剪切應力-應變曲線。（f–h）液氮沖擊后GTFs-Ag截面的SEM圖像：（f）GTF-Ag??，（g）GTF-Ag???，（h）GTF-Ag???。
該段文字系統展示了圖4中關于復合膜界面結構與力學性能、環境穩定性的綜合評價：
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結構與成分表征（a）：通過截面SEM及元素面分布圖，直觀呈現GTF-Ag???中銀層與石墨烯層的分布與結合情況，證明銀層在界面處形成連續、致密的連接。
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界面結合強度測試（b, c, d, e）：
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剝離測試（b, c）：通過T型剝離測試及剝離后的表面形貌觀察，對比有無銀層時界面的失效模式，定量與定性評價界面結合強度。
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剪切測試（d, e）：通過拉伸剪切測試獲取應力-應變曲線，定量比較不同銀層厚度對界面剪切強度的提升效果。
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極端環境穩定性評估（f–h）：通過液氮沖擊測試模擬極端低溫環境，觀察不同銀層厚度樣品截面的SEM圖像，評估界面在熱應力沖擊下的結構完整性。結果表明，足夠厚度的銀層（如GTF-Ag???）能有效抵抗因熱失配導致的界面分層。
整體而言，圖4通過成分分布、力學性能測試與極端環境實驗相結合，全面評估了納米銀鍵合策略對石墨烯厚膜
界面結合強度與
結構魯棒性的提升作用，證明了其在極端熱管理應用中的可靠性。
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圖5. (a) GTF-Ag中石墨烯-銀界面的表面形貌光學顯微圖像。(b) GTF-Ag???與GTF-Ag???內部石墨烯-銀鍵合界面表面形貌的SEM圖像，以及GTF-Ag???對應的C和Ag元素面分布圖。GTF-Ag的XRD圖譜：(c–d)。(e) GTF與GTF-Ag的拉伸應力-應變曲線。
這段文字是對圖5的詳細說明，系統展示了不同銀層厚度下復合膜的界面微觀結構、晶體結構與宏觀力學性能：
1. 界面形貌與成分分析（a-b）：
* **光學顯微圖像（a）** 提供了界面區域的**整體形貌概覽**，可觀察銀層覆蓋的連續性與均勻性。
* **SEM圖像與元素面分布圖（b）** 則提供了**高分辨率的微觀形貌與成分信息**。通過對比GTF-Ag???與GTF-Ag???，直觀展示了銀層厚度對形成連續、致密界面的影響；元素面分布圖進一步證實了銀與碳元素在界面處的分布狀態，驗證了銀層與石墨烯的有效結合。
2. 晶體結構表征（c-d）：
* **XRD圖譜**用于分析復合膜中銀的**晶體結構與結晶性**。通過對比不同樣品的衍射峰，可以評估銀層的結晶質量、晶粒尺寸變化，并檢測是否有氧化銀等副產物生成，從而間接反映熱壓工藝對界面結構的影響。
3. 宏觀力學性能測試（e）：
* **拉伸應力-應變曲線**反映了復合膜的**整體力學行為與韌性**。通過對比純GTF與不同GTF-Ag的曲線，可以評估銀層的引入是否犧牲了石墨烯薄膜固有的柔韌性，以及復合膜在拉伸載荷下的失效模式。
**整體而言**，圖5通過將**微觀界面形貌**、**晶體結構信息**與**宏觀力學性能**相關聯，構建了從微觀結構到宏觀性能的完整分析鏈條，為理解銀層厚度如何影響復合膜的界面特性、結構完整性及力學可靠性提供了關鍵證據。
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圖6. （a）密度、（b）面內熱導率和（c）面外熱導率隨GTFs和GTF-Ag???組裝層數的變化。（d）GTFs-Ag的面內熱導率與密度關系。（e）GTF與GTFs-Ag鍵合界面的結構示意圖對比。（f）GTFs-Ag鍵合界面表面形貌示意圖。
這段文字闡述了圖6中關于石墨烯厚膜（特別是銀鍵合厚膜）關鍵熱物理性能與界面結構關系的系統性分析：
1. 性能隨厚度變化規律（a-c）：
* **密度（a）**：展示了GTF和GTF-Ag???的密度隨組裝層數（即厚度）的變化，旨在說明銀鍵合層對復合材料整體密度的影響是否顯著。
* **面內與面外熱導率（b, c）**：定量比較了兩種材料在**不同厚度下導熱性能的衰減情況**。這直接驗證了納米銀無縫鍵合策略在維持高面內熱導率（如原文所述的僅下降5%）和保持面外熱導率方面的優勢，突破了傳統厚膜導熱性能隨厚度增加而急劇下降的瓶頸。
2. 熱導率與密度關聯分析（d）：
* 該圖將**面內熱導率與密度關聯**，可能用于分析不同銀層厚度樣品（GTFs-Ag）中，銀的引入對材料輕量化特性與導熱性能的綜合影響，揭示最優的銀層厚度范圍。
3. 界面結構機理闡釋（e-f）：
* **示意圖對比（e）**：通過對比純GTF（可能為物理接觸或弱結合）與GTFs-Ag（通過納米銀實現強界面結合）的鍵合界面結構，直觀解釋了為何后者能減少界面熱阻和增強結構穩定性。
* **表面形貌示意圖（f）**：形象展示了GTFs-Ag鍵合界面的理想微觀形貌，如銀層如何填充石墨烯表面褶皺、形成連續且緊密的接觸，從而為高效熱傳遞提供通路。
**整體而言**，圖6通過**性能曲線、關聯分析與結構示意圖相結合**的方式，不僅定量證明了GTF-Ag???在寬厚度范圍內優異的導熱性能保持率，還從界面結構的角度闡釋了其性能優勢的內在機理，完整論證了該無縫鍵合策略的有效性。
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圖7. (a) 不同溫度處理后GF和GFs-Ag膜表面的數碼照片。白色標尺代表1厘米。(b) 不同溫度處理后GTF和GTF-Ag???的面內熱導率。插圖為不同溫度處理后樣品的數碼照片。(c) GTF-Ag???在不同熱沖擊循環后的面內熱導率變化。插圖為GTF-Ag???在經歷1200次熱沖擊循環前后的數碼照片。(d) GTF和GTF-Ag???在熱源加熱與散熱過程中的紅外圖像和(e)溫度曲線。(f) GTF-Ag???的結構穩定性與熱導率示意圖。
這段文字對應圖7，全面展示了石墨烯-銀復合厚膜在**極端熱環境下的性能穩定性**及其**實際散熱效能**，是評估該材料工程應用潛力的關鍵證據。
1. 極端溫度下的形貌與性能穩定性（a-c）：
* **高溫形貌（a）**：通過不同溫度處理后表面的數碼照片對比，直觀顯示了銀層對抑制石墨烯薄膜在高溫下（如400°C）起泡、變形的重要作用，證明其**高溫結構穩定性**。
* **熱導率保持率（b）**：定量測試了GTF和GTF-Ag???在經歷高低溫（如-200°C至400°C）處理后的面內熱導率，結合插圖展示的樣品宏觀形貌，證明GTF-Ag???在寬溫域內能**同時保持結構完整與導熱性能**。
* **熱循環疲勞性能（c）**：通過1200次熱沖擊循環后熱導率的變化及循環前后樣品的數碼照片，證明該材料具有**優異的熱疲勞抗性**，界面在反復熱應力下仍保持穩定，滿足長期可靠使用需求。
2. 實際散熱性能演示（d-e）：
* **紅外熱成像（d）與溫度曲線（e）** 模擬了實際散熱場景。通過對比GTF和GTF-Ag???在熱源作用下的表面溫度分布與升溫/降溫曲線，直觀證明了GTF-Ag???具有**更快的熱響應速度、更均勻的溫度分布和更強的散熱能力**，能有效降低熱點溫度。
3. 綜合性能示意圖（f）：
* 該示意圖可能概括性地呈現了GTF-Ag???在**結構穩定性**（如抗剝離、抗熱沖擊）與**超高導熱性**兩方面的核心優勢，強調了其在極端熱管理應用中作為“六邊形戰士”的綜合性能。
**整體而言**，圖7通過**極端環境測試、熱循環實驗與實際散熱演示**相結合，從實驗室性能表征邁向應用場景驗證，充分證明了GTF-Ag???在**極端溫度穩定性、長期可靠性與高效散熱能力**方面的綜合優勢，為其在高功率器件和惡劣環境下的熱管理應用提供了有力支撐。
本研究通過蒸發沉積與熱壓工藝，實現納米銀與石墨烯薄膜的無縫鍵合，制備出結構穩定、超高導熱的石墨烯-銀厚膜GTF-Ag200。該無縫鍵合界面有效消除空隙、降低熱阻，使厚膜保持石墨烯輕質特性。其厚度為200 μm，密度與面外導熱系數與原始薄膜相當（2.21 g cm?³、7.6 W m?¹ K?¹），面內導熱系數達1630 W m?¹ K?¹，僅下降5%。石墨烯-銀間相互作用與界面機械互鎖結構賦予其優異穩定性：厚膜可通過機械剝離與液氮沖擊測試，并在-200°C至400°C溫度范圍及1200次熱沖擊循環后保持結構與導熱性能基本不變。該工作突破了石墨烯厚膜厚度與導熱性的傳統權衡，為高功率器件與極端環境熱管理提供了高效可靠解決方案。
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121256
本文的主要創新點可歸納為以下四個方面：
一、提出“無縫納米銀鍵合”新策略，突破厚膜制備瓶頸
傳統石墨烯厚膜（GTF）通過堆疊多層石墨烯薄膜（GF）實現增厚，但層間界面熱阻高、結合弱，導致導熱性能隨厚度增加顯著下降。本研究創新性地采用**真空蒸發沉積結合熱壓工藝**，在多層GF之間引入**納米銀（Ag）層作為鍵合介質**，實現了GF層間的**連續、無縫、強界面結合**，從材料設計與工藝層面解決了厚膜界面熱阻與結構穩定性的核心難題。
二、實現超厚石墨烯膜同時具備超高導熱與優異穩定性
通過優化銀層厚度（最佳為200 nm），制備出厚度達 **200 μm** 的復合厚膜（GTF-Ag???），并取得以下突破性性能：
- **面內熱導率高達1630 W·m?¹·K?¹**，僅比原始40 μm厚的GF下降 **5%**，顯著優于已報道的同類厚膜；
- **面外熱導率保持穩定**（~7.6 W·m?¹·K?¹），表明銀層未引入顯著垂直方向熱阻；
- **兼具輕質特性**（密度~2.21 g·cm?³），幾乎與原始GF相當；
- **熱通量承載能力（k×h值）達0.33 W·K?¹**，為已知GTF中的最高水平之一。
三、在極端環境下展現出卓越的結構與性能穩定性
GTF-Ag???在多種嚴苛條件下仍保持性能穩定，滿足航天、軍工等極端熱管理需求：
- **寬溫域穩定性**：在-200°C至400°C溫度范圍內處理，膜結構完整，熱導率無衰減；
- **抗熱沖擊疲勞**：經歷 **1200次** 熱沖擊循環后，界面未分層，熱導率幾乎不變；
- **抗低溫沖擊**：液氮沖擊后無明顯分層，而傳統GTF完全分離；
- **抑制高溫起泡**：連續銀層有效抑制GF在高溫下（≤400°C）的表面起泡現象。
四、通過系統界面設計與機理研究揭示性能增強機制
- **界面微觀調控**：研究發現銀層厚度對界面形貌具有關鍵影響——過薄（≤100 nm）形成不連續“點狀”結合，過厚（≥200 nm）則可實現“連續無縫”結合，從而最小化界面熱阻；
- **結合機理闡釋**：通過表面能計算、SEM/XRD表征、剪切/剝離測試等，證明納米銀在熱壓下通過熔融-燒結形成機械互鎖與強物理結合，其粘附功（~385 mJ·m?²）接近石墨層間剝離能，確保了界面穩固性；
- **熱–力性能關聯**：銀層的引入不僅未損害GF的固有柔韌性，還顯著提升了層間剪切強度（達310 kPa，為無銀對照樣的近2倍）。
本研究通過 **“材料–工藝–界面–性能”一體化創新**，成功制備出兼具**超高熱導、結構強韌、輕質穩定**的石墨烯–銀復合厚膜，克服了傳統石墨烯厚膜在**厚度–導熱性–穩定性**之間的固有矛盾，為高功率電子器件、航空航天等極端環境下的高效熱管理提供了具有實際應用前景的材料解決方案。
轉自《石墨烯研究》公眾號
