热传导-HD 石墨烯的秘密-超高热传导测试技术

随着科技开发与时代的演进，材料的研究已越来越精细，开发的等级也随着新时代科学技术研究，正式进入奈米相关研究领域，并且进入在我们的生活当中。

石墨是指尺寸为奈米级的超细材料，肉眼甚至一般的显微镜都难以看到。在奈米材料中，石墨烯(Graphene)是知名的奈米材料之ㄧ。石墨成分为碳，碳的同素异型体可以分为C60、一维的奈米碳管以及二维的石墨烯。石墨烯由单层碳原子所组成的二维材料，由英国曼彻斯特大学的KSNovoselov 和AKGeim在实验室中使用力学剥離的方式，成功将​​石墨烯分離，兩位科学家因此在西元2010年获得諾贝尔-物理奖。石墨烯是目前世界上已知材料中强度大、厚度薄且几乎完全透明的奈米材料，拥有高机械性，极优良的导热性、导电性、透光性、韧性及极小电阻率。石墨烯导热性质高于奈米碳管及金银铜、电阻率比银和铜更低，其电阻率极低，内部电子传递的速度极快，因此可用来发展出导电速度更快且超薄的新一代电子元件。

石墨烯在美国、英国、中国和日本等许多国家早已着手研究奈米科学及碳材料开发应用，应用范围极广，从石墨烯独特的力学、物理性能和电性各方面都有极大的发展空间，来开发出石墨烯的相关元件及新材料。如使用在复合材料方面会更有广阔的应用，石墨烯缺陷少、结构致密，其强度比通用级碳纤维高，也可作为复合材料的增强体制备高性能的复合材料，不论是在电子产业、复合材料或是储能领域上等极具开发潜力。

从过去至现在，制备石墨烯材料的方法有机械剥离法、磊晶成长法、化学剥离法及化学气相沉积法(CVD)，其中机械剥离法及磊晶成长法都会得到较佳的石墨烯，但较无法大面积生产；化学剥离法及化学气相沉积法(CVD)则具有规模化量产的特性，较容易进行材料改质以反映制造良率及成本问题，然而现今却无完整测试方法可测出石墨烯膜的热传导系数。Hot Disk系统采用的圆片状感测器-瞬间接触式测量法，在符合ISO22007-2.2国际规范下，使用Slab method 可有效测试石墨烯膜的超高热导系数，做为在石墨烯膜制程或成品上散热能力的评断标准。
 

样品介绍

石墨烯膜A、B二张:
   

测量设备

Hot Disk-TPS 2500s
 

测试原理和测试方法

Hot Disk的测量原理是基于瞬变平面热源法(Transient Plane Source Method，简称TPS)。在此方法中，感测器为一平面的探头，探头由导电金属-镍，经刻蚀处理后形成连续双螺旋薄片结构，探头外层以双层Kapton做为保护层，其厚度只有0.025 mm； Kapton令探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品间的电绝缘性；探头通常被放置于兩片样品中间进行测试。 Hot Disk提供了不同材质、尺寸与构造的探头供客户选择，适用于各种不同性质样品的测试。在测试过程中，电流通过镍时产生一定热源使感测器温度上升，所产生之热量同时向感测器兩侧的样品进行扩散，热扩散速度仰赖于材料之热传导特性，仪器经由记录温度及探头的反应时间，无须输入样品比热或密度即可计算出材料的热传导系数值。

Slab Sheets Method 高热传片状材料测试方法:
测试方法无论是在研究或制程上，专测量具有中、高热传及热扩散性质的导电材料，材料须具有一定的厚度，将样品置于二块平板和Hot Disk感测器中间。此测量方法主要测出材料横向热传导及热扩散系数(X-Y热传导&热扩散)，高热导材料上下必须以低热导材料或绝缘材夹住，以减少周遭环境的热损失。

石墨烯膜非常薄，在ISO22007-2.2规范中可使用Slab method来做高热导测试，Slab method在Hot Disk TPS2500s可量测热传导值至1500 W/mK。在此测试模式中，因样品低厚度须达0.072 mm以上来符合感测器测试条件，Slab method主要测试样品横向(XY)热导，故我们可以将样品剪裁成大小5x5 cm，样品一层约0.025 mm，须堆叠至0.075 mm来进行热传导系数测试。
   

测试条件

• 测试功率:1 W
• 测试时间:1 sec
• 测试次数:3次
• 测试时间间隔: 5 min
• 感测器型号: 7577 sensor
• 背景材料:尼龙泡棉

 

测试结果

A、B重复测试三次量测结果，测量热传导系数值
 

结论

石墨烯膜因热传导值非常高，故在条件设定上，测试时间须设为一秒，并利用软体分析功能在一秒测试时间内撷取到A与B组的热传导资讯。结果经由Hot Disk测试分析计算后，无须另外再做数值换算即可得到热传导结果。从以上再现性测试可发现材料的热传导稳定性，因现今并未对石墨烯膜有特定标准规范可进行测试，在使用符合ISO22007-2.2的测验方法，可做为制程或成品上散热能力的评估依据，做改质或产品检验等应用。