电子设备小型化与集成化带来功率密度提升，使高效散热成为制约设备性能与寿命的关键。目前高功率器件热流密度可达1000 W cm⁻²，散热挑战严峻。导热石墨烯薄膜能快速均布热量，已应用于消费电子。为应对更高热流，需发展厚度达数百微米的石墨烯厚膜。传统制备方法中，增加厚度常导致导热性骤降；商用厚膜多通过粘合多层石墨烯或其氧化物实现，但存在界面结合弱、热阻高、高温稳定性差等问题。民用领域对热管理要求相对温和，而军工航天等极端环境则要求材料兼具轻质、高导热与长期稳定。因此，开发界面结合牢固、结构稳定的厚膜制备技术具有重要意义。
 

图 1. (a) 真空蒸发机制示意图。(b) GFs 与 GFs-Ag 的实物照片。(c) GTFs 及 GTFs-Ag 的制备流程示意图。(d) GTF-Ag 200 的热导率与膜厚同现有报道工作的比较。(e) GTF-Ag 200 的 k × h 值与其他已报道 GTFs 的比较。
该段文字是对图 1 的完整说明，包含五个子图的描述：
1.  **图 (a)** 展示了制备工艺中**真空蒸发**的机理，说明如何通过物理气相沉积形成纳米银层。
2.  **图 (b)** 提供了**直观的视觉对比**，通过实物照片呈现石墨烯薄膜镀银前后的外观差异。
3.  **图 (c)** 为**制备全流程示意图**，概括了从单层镀银到多层热压成厚膜的关键步骤。
4.  **图 (d)** **突出性能优势**，通过将本文制备的 GTF-Ag200 的热导率与膜厚同文献数据对比，凸显其在厚膜条件下仍保持超高导热性。
5.  **图 (e)** 引入 **k × h 值（热导率与厚度的乘积）作为热通量承载能力的关键指标**，进一步证明 GTF-Ag200 在高热流散热应用中的优越性。
整段图文结合，系统地展示了该研究的制备方法、直观形貌、工艺路线，并通过与现有研究的定量对比，有力证明了其制备的厚膜在导热综合性能上的突破。
 

图 2. （a）GF 与 GFs-Ag 的表面粗糙度。（b–e）样品表面形貌的 SEM 图像：（b）GF，（c）GF‑Ag₅₀，（d）GF‑Ag₁₀₀，（e）GF‑Ag₂₀₀。（f–g）GFs-Ag 的 XRD 图谱。
这段文字是对图2各子图的说明，主要围绕材料表面特征与微观结构进行表征：

1. 图（a） 展示了表面粗糙度的定量对比，通过对比原始石墨烯膜（GF）与不同厚度镀银石墨烯膜（GFs-Ag）的表面粗糙度数据，为后续分析界面结合与形貌变化提供基础。
2. 图（b–e） 通过扫描电子显微镜图像直观呈现了不同样品的表面形貌。从原始GF的典型褶皱结构（b），到不同银层厚度（50 nm、100 nm、200 nm）下表面形貌的演变（c–e），可观察银纳米颗粒的覆盖情况、分布均匀性及其对表面形貌的影响。
3. 图（f–g） 为X射线衍射图谱，用于分析 GFs-Ag 的晶体结构。该部分内容通常用于确认银的结晶状态、晶粒尺寸，并检测是否存在氧化银等副产物，从而评估镀银层的质量与热压过程中的结构变化。

整体而言，图2通过表面粗糙度测量、SEM形貌观察与XRD物相分析相结合，系统地表征了银层厚度对石墨烯膜表面微观结构与晶体性质的影响，为理解界面结合机制与后续热学性能分析提供了重要的结构依据。
 

图3. 经200°C处理后GFs-Ag膜表面的SEM图像：(a) GF-Ag₅₀，(b) GF-Ag₁₀₀，(c) GF-Ag₂₀₀。经300°C处理后GFs-Ag膜表面的SEM图像：(d) GF-Ag₅₀，(e) GF-Ag₁₀₀，(f) GF-Ag₂₀₀。经300°C处理后GFs-Ag膜横截面的SEM图像：(g) GF-Ag₅₀，(h) GF-Ag₁₀₀。(i) GF与Ag处于平衡分离状态示意图。
这段文字系统描述了图3中不同热处理条件下石墨烯-银复合膜表面与截面形貌的演变：

1. 温度梯度对比（a–f）：通过设置 200°C 与 300°C 两个处理温度，直观展示了温度对银层形貌演化的影响。从图中可观察到，随着温度升高，银纳米颗粒发生熔融、聚集与再分布，表面形貌从离散颗粒逐渐向连续层状结构转变，为理解银层在不同温度下的烧结行为提供了直观证据。
2. 厚度梯度对比（a/b/c与d/e/f）：在相同温度下，对比不同银层厚度（50 nm、100 nm、200 nm）样品的表面形貌，揭示银层厚度对形成连续、致密界面的影响。较厚的银层（如GF-Ag₂₀₀）在高温下更易形成连续覆盖层，这与后续界面结合强度与热性能的优化直接相关。
3. 截面形貌分析（g–h）：展示300°C处理后样品的横截面SEM图像，可直观观察银层与石墨烯基体的界面结合状态、银层厚度与均匀性，以及是否存在界面缺陷或分层，为评估界面结构与结合质量提供直接证据。
4. 界面状态示意图（i）：通过“GF与Ag处于平衡分离状态”的示意图，形象说明石墨烯与银之间在热力学上的界面能平衡关系，为后续计算粘附功、解释界面稳定性提供理论依据。

整体而言，图3通过多温度、多厚度、表面与截面相结合的系统形貌表征，深入揭示了银层在热处理过程中的结构演变规律与界面形成机制，为阐明“无缝纳米银键合”策略的可行性及其对复合膜性能的增强作用提供了关键的微观结构证据。
 

图4. （a）GTF-Ag₂₀₀截面的SEM图像及对应的Ag与C元素面分布图。（b）T型剥离强度测试示意图。GF表面的光学显微镜图像。剥离后GTFs与GTFs-Ag的表面及其对应的光学显微镜图像。（c）GTFs与GTFs-Ag的剥离应力-距离曲线。（d）拉伸剪切强度测试示意图。（e）GTF与GTFs-Ag的拉伸剪切应力-应变曲线。（f–h）液氮冲击后GTFs-Ag截面的SEM图像：（f）GTF-Ag₅₀，（g）GTF-Ag₁₀₀，（h）GTF-Ag₂₀₀。
该段文字系统展示了图4中关于复合膜界面结构与力学性能、环境稳定性的综合评价：

1. 结构与成分表征（a）：通过截面SEM及元素面分布图，直观呈现GTF-Ag₂₀₀中银层与石墨烯层的分布与结合情况，证明银层在界面处形成连续、致密的连接。
2. 界面结合强度测试（b, c, d, e）：
   • 剥离测试（b, c）：通过T型剥离测试及剥离后的表面形貌观察，对比有无银层时界面的失效模式，定量与定性评价界面结合强度。
   • 剪切测试（d, e）：通过拉伸剪切测试获取应力-应变曲线，定量比较不同银层厚度对界面剪切强度的提升效果。
3. 极端环境稳定性评估（f–h）：通过液氮冲击测试模拟极端低温环境，观察不同银层厚度样品截面的SEM图像，评估界面在热应力冲击下的结构完整性。结果表明，足够厚度的银层（如GTF-Ag₂₀₀）能有效抵抗因热失配导致的界面分层。

整体而言，图4通过成分分布、力学性能测试与极端环境实验相结合，全面评估了纳米银键合策略对石墨烯厚膜界面结合强度与结构鲁棒性的提升作用，证明了其在极端热管理应用中的可靠性。
 

图5. (a) GTF-Ag中石墨烯-银界面的表面形貌光学显微图像。(b) GTF-Ag₁₀₀与GTF-Ag₂₀₀内部石墨烯-银键合界面表面形貌的SEM图像，以及GTF-Ag₂₀₀对应的C和Ag元素面分布图。GTF-Ag的XRD图谱：(c–d)。(e) GTF与GTF-Ag的拉伸应力-应变曲线。
这段文字是对图5的详细说明，系统展示了不同银层厚度下复合膜的界面微观结构、晶体结构与宏观力学性能：
1.  界面形貌与成分分析（a-b）：
    *   **光学显微图像（a）** 提供了界面区域的**整体形貌概览**，可观察银层覆盖的连续性与均匀性。
    *   **SEM图像与元素面分布图（b）** 则提供了**高分辨率的微观形貌与成分信息**。通过对比GTF-Ag₁₀₀与GTF-Ag₂₀₀，直观展示了银层厚度对形成连续、致密界面的影响；元素面分布图进一步证实了银与碳元素在界面处的分布状态，验证了银层与石墨烯的有效结合。
 
2.  晶体结构表征（c-d）：
    *   **XRD图谱**用于分析复合膜中银的**晶体结构与结晶性**。通过对比不同样品的衍射峰，可以评估银层的结晶质量、晶粒尺寸变化，并检测是否有氧化银等副产物生成，从而间接反映热压工艺对界面结构的影响。
 
3. 宏观力学性能测试（e）：
    *   **拉伸应力-应变曲线**反映了复合膜的**整体力学行为与韧性**。通过对比纯GTF与不同GTF-Ag的曲线，可以评估银层的引入是否牺牲了石墨烯薄膜固有的柔韧性，以及复合膜在拉伸载荷下的失效模式。
**整体而言**，图5通过将**微观界面形貌**、**晶体结构信息**与**宏观力学性能**相关联，构建了从微观结构到宏观性能的完整分析链条，为理解银层厚度如何影响复合膜的界面特性、结构完整性及力学可靠性提供了关键证据。
 

图6. （a）密度、（b）面内热导率和（c）面外热导率随GTFs和GTF-Ag₂₀₀组装层数的变化。（d）GTFs-Ag的面内热导率与密度关系。（e）GTF与GTFs-Ag键合界面的结构示意图对比。（f）GTFs-Ag键合界面表面形貌示意图。
这段文字阐述了图6中关于石墨烯厚膜（特别是银键合厚膜）关键热物理性能与界面结构关系的系统性分析：
1.  性能随厚度变化规律（a-c）：
    *   **密度（a）**：展示了GTF和GTF-Ag₂₀₀的密度随组装层数（即厚度）的变化，旨在说明银键合层对复合材料整体密度的影响是否显著。
    *   **面内与面外热导率（b, c）**：定量比较了两种材料在**不同厚度下导热性能的衰减情况**。这直接验证了纳米银无缝键合策略在维持高面内热导率（如原文所述的仅下降5%）和保持面外热导率方面的优势，突破了传统厚膜导热性能随厚度增加而急剧下降的瓶颈。
2.  热导率与密度关联分析（d）：
    *   该图将**面内热导率与密度关联**，可能用于分析不同银层厚度样品（GTFs-Ag）中，银的引入对材料轻量化特性与导热性能的综合影响，揭示最优的银层厚度范围。
3.  界面结构机理阐释（e-f）：
    *   **示意图对比（e）**：通过对比纯GTF（可能为物理接触或弱结合）与GTFs-Ag（通过纳米银实现强界面结合）的键合界面结构，直观解释了为何后者能减少界面热阻和增强结构稳定性。
    *   **表面形貌示意图（f）**：形象展示了GTFs-Ag键合界面的理想微观形貌，如银层如何填充石墨烯表面褶皱、形成连续且紧密的接触，从而为高效热传递提供通路。
**整体而言**，图6通过**性能曲线、关联分析与结构示意图相结合**的方式，不仅定量证明了GTF-Ag₂₀₀在宽厚度范围内优异的导热性能保持率，还从界面结构的角度阐释了其性能优势的内在机理，完整论证了该无缝键合策略的有效性。
 

图7. (a) 不同温度处理后GF和GFs-Ag膜表面的数码照片。白色标尺代表1厘米。(b) 不同温度处理后GTF和GTF-Ag₂₀₀的面内热导率。插图为不同温度处理后样品的数码照片。(c) GTF-Ag₂₀₀在不同热冲击循环后的面内热导率变化。插图为GTF-Ag₂₀₀在经历1200次热冲击循环前后的数码照片。(d) GTF和GTF-Ag₂₀₀在热源加热与散热过程中的红外图像和(e)温度曲线。(f) GTF-Ag₂₀₀的结构稳定性与热导率示意图。
这段文字对应图7，全面展示了石墨烯-银复合厚膜在**极端热环境下的性能稳定性**及其**实际散热效能**，是评估该材料工程应用潜力的关键证据。
1.  极端温度下的形貌与性能稳定性（a-c）：
    *   **高温形貌（a）**：通过不同温度处理后表面的数码照片对比，直观显示了银层对抑制石墨烯薄膜在高温下（如400°C）起泡、变形的重要作用，证明其**高温结构稳定性**。
    *   **热导率保持率（b）**：定量测试了GTF和GTF-Ag₂₀₀在经历高低温（如-200°C至400°C）处理后的面内热导率，结合插图展示的样品宏观形貌，证明GTF-Ag₂₀₀在宽温域内能**同时保持结构完整与导热性能**。
    *   **热循环疲劳性能（c）**：通过1200次热冲击循环后热导率的变化及循环前后样品的数码照片，证明该材料具有**优异的热疲劳抗性**，界面在反复热应力下仍保持稳定，满足长期可靠使用需求。
2.  实际散热性能演示（d-e）：
    *   **红外热成像（d）与温度曲线（e）** 模拟了实际散热场景。通过对比GTF和GTF-Ag₂₀₀在热源作用下的表面温度分布与升温/降温曲线，直观证明了GTF-Ag₂₀₀具有**更快的热响应速度、更均匀的温度分布和更强的散热能力**，能有效降低热点温度。
3.  综合性能示意图（f）：
    *   该示意图可能概括性地呈现了GTF-Ag₂₀₀在**结构稳定性**（如抗剥离、抗热冲击）与**超高导热性**两方面的核心优势，强调了其在极端热管理应用中作为“六边形战士”的综合性能。
**整体而言**，图7通过**极端环境测试、热循环实验与实际散热演示**相结合，从实验室性能表征迈向应用场景验证，充分证明了GTF-Ag₂₀₀在**极端温度稳定性、长期可靠性与高效散热能力**方面的综合优势，为其在高功率器件和恶劣环境下的热管理应用提供了有力支撑。
本研究通过蒸发沉积与热压工艺，实现纳米银与石墨烯薄膜的无缝键合，制备出结构稳定、超高导热的石墨烯-银厚膜GTF-Ag200。该无缝键合界面有效消除空隙、降低热阻，使厚膜保持石墨烯轻质特性。其厚度为200 μm，密度与面外导热系数与原始薄膜相当（2.21 g cm⁻³、7.6 W m⁻¹ K⁻¹），面内导热系数达1630 W m⁻¹ K⁻¹，仅下降5%。石墨烯-银间相互作用与界面机械互锁结构赋予其优异稳定性：厚膜可通过机械剥离与液氮冲击测试，并在-200°C至400°C温度范围及1200次热冲击循环后保持结构与导热性能基本不变。该工作突破了石墨烯厚膜厚度与导热性的传统权衡，为高功率器件与极端环境热管理提供了高效可靠解决方案。https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121256
 
本文的主要创新点可归纳为以下四个方面：
一、提出“无缝纳米银键合”新策略，突破厚膜制备瓶颈
传统石墨烯厚膜（GTF）通过堆叠多层石墨烯薄膜（GF）实现增厚，但层间界面热阻高、结合弱，导致导热性能随厚度增加显著下降。本研究创新性地采用**真空蒸发沉积结合热压工艺**，在多层GF之间引入**纳米银（Ag）层作为键合介质**，实现了GF层间的**连续、无缝、强界面结合**，从材料设计与工艺层面解决了厚膜界面热阻与结构稳定性的核心难题。
二、实现超厚石墨烯膜同时具备超高导热与优异稳定性
通过优化银层厚度（最佳为200 nm），制备出厚度达 **200 μm** 的复合厚膜（GTF-Ag₂₀₀），并取得以下突破性性能：
- **面内热导率高达1630 W·m⁻¹·K⁻¹**，仅比原始40 μm厚的GF下降 **5%**，显著优于已报道的同类厚膜；
- **面外热导率保持稳定**（~7.6 W·m⁻¹·K⁻¹），表明银层未引入显著垂直方向热阻；
- **兼具轻质特性**（密度~2.21 g·cm⁻³），几乎与原始GF相当；
- **热通量承载能力（k×h值）达0.33 W·K⁻¹**，为已知GTF中的最高水平之一。
三、在极端环境下展现出卓越的结构与性能稳定性
GTF-Ag₂₀₀在多种严苛条件下仍保持性能稳定，满足航天、军工等极端热管理需求：
- **宽温域稳定性**：在-200°C至400°C温度范围内处理，膜结构完整，热导率无衰减；
- **抗热冲击疲劳**：经历 **1200次** 热冲击循环后，界面未分层，热导率几乎不变；
- **抗低温冲击**：液氮冲击后无明显分层，而传统GTF完全分离；
- **抑制高温起泡**：连续银层有效抑制GF在高温下（≤400°C）的表面起泡现象。
四、通过系统界面设计与机理研究揭示性能增强机制
- **界面微观调控**：研究发现银层厚度对界面形貌具有关键影响——过薄（≤100 nm）形成不连续“点状”结合，过厚（≥200 nm）则可实现“连续无缝”结合，从而最小化界面热阻；
- **结合机理阐释**：通过表面能计算、SEM/XRD表征、剪切/剥离测试等，证明纳米银在热压下通过熔融-烧结形成机械互锁与强物理结合，其粘附功（~385 mJ·m⁻²）接近石墨层间剥离能，确保了界面稳固性；
- **热–力性能关联**：银层的引入不仅未损害GF的固有柔韧性，还显著提升了层间剪切强度（达310 kPa，为无银对照样的近2倍）。
      本研究通过 **“材料–工艺–界面–性能”一体化创新**，成功制备出兼具**超高热导、结构强韧、轻质稳定**的石墨烯–银复合厚膜，克服了传统石墨烯厚膜在**厚度–导热性–稳定性**之间的固有矛盾，为高功率电子器件、航空航天等极端环境下的高效热管理提供了具有实际应用前景的材料解决方案。

转自《石墨烯研究》公众号