上海理工大学杨光智团队研究成果：高导热聚酰亚胺基石墨膜的制备及其性能研究
引言
随着电子技术的飞速发展，电子器件和通信设备正朝着小型化和高密度集成化的方向迈进。这一趋势导致单位体积内的发热量急剧增加，不仅降低了设备的性能，还缩短了其使用寿命，甚至可能引发严重的安全问题。因此，高效的热管理技术成为了当前电子领域亟待解决的关键问题之一。
一、研究背景 传统的热管理材料主要依赖于金属材料，如氧化铝、铜、银等，尽管银具有最高的导热率，但金属材料的高密度和高热膨胀系数限制了其在特殊电子器件中的应用。相比之下，非金属碳基材料因其独特的热传导机制，在散热领域展现出巨大的潜力。特别是石墨薄膜，作为一种新型散热材料，因其低密度、晶面热膨胀系数小以及优良的机械性能而备受关注。聚合物薄膜热解生成的石墨膜，如聚酰亚胺（PI）薄膜和聚丙烯腈薄膜，因其优异的性能和可控的制备工艺，更是成为了研究的热点。本文使用4，4，-二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐作为单体进行共聚，磷酸钙为化学亚胺化试剂，研究了化学亚胺化试剂添加量对聚酰亚胺（PI）薄膜性能的影响。文章基于上海理工大学杨光智教授团队研究成果及国家自然科学基金项目资助。 二、创新亮点 （1）化学亚胺化法的应用：区别于传统的热亚胺化法，本研究采用化学亚胺化法，以磷酸钙为催化剂，制备PI薄膜。化学亚胺化法在低温阶段即可部分亚胺化，有利于形成规整的分子链排列，从而提高PI薄膜的力学性能和热性能。 （2）磷酸钙添加量的优化：通过精确控制磷酸钙的添加量，研究其对PI薄膜及最终石墨膜性能的影响。实验发现，当磷酸钙添加量为0.1%（质量分数）时，PI薄膜的拉伸强度显著提高，石墨膜的热导率达到最大值1623.9 W/(m·K)，相较于未添加磷酸钙的石墨膜提高了25.7%。 （3）微观结构与性能的关联：通过FT-IR、XRD、Raman等手段对PI薄膜及石墨膜的微观结构进行深入分析，揭示了磷酸钙添加量对石墨膜晶面间距、晶粒尺寸、晶格缺陷以及热导率等性能的影响机制。结果表明，适量的磷酸钙有助于减少晶格缺陷，增大晶粒尺寸，从而提高石墨膜的导热性能。 （4）实际应用潜力的验证：通过模拟散热测试，验证了高导热PI基石墨膜在微型化、集成化和大功率电子设备散热方面的潜在应用价值。实验结果显示，该石墨膜能够高效地将热量传输出去，具有良好的传热和散热能力。 三、图文展示 图2 PI基石墨膜的制备流程图 Fig. 2 Flow chart for the preparation of PI-based graphite film 图3 PI薄膜的FT-IR光谱图和亚胺化程度 Fig.3 (a) FT-IR spectra of PI films; (b) degree of imimidation 图4 不同磷酸钙添加量下PI薄膜的应力-应变曲线 Fig.4 Stress-strain curves of PI films under different calcium phosphate additions 图7 不同磷酸钙添加量下PI基石墨薄膜的SEM图：（a）(d）g-KB薄膜表面及截面；（b）(c）g-P01薄膜表面；（e）(f）g-P01薄膜截面 Fig. 7 SEM images of PI-based graphite film with different calcium phosphate additions: (a), (d) surface and cross-section of g-KB film; (b), (c) G-P01 film surface; (e), (f) cross-section of G-P01 film 图8 不同磷酸钙添加量下PI基石墨膜的热导率 Fig. 8 Thermal conductivity of PI-based graphite films with different calcium phosphate additions 图9 不同磷酸钙添加量下PI基石墨膜性能测试图：（a）热成像测试过程中各PI基石墨膜表面温度随时间的变化曲线；（b）石墨膜的红外热成像图 Fig. 9 Performance test diagram of PI-based graphite film under different calcium phosphate addition amounts: (a) the variation curve of the surface temperature of each PI-based graphite film with time during the thermal imaging test; (b) infrared thermography of graphite film 四、结论 本研究成功采用化学亚胺化法，以磷酸钙为催化剂，制备了具有优异导热性能的PI基石墨膜。通过精确控制磷酸钙的添加量，实现了对石墨膜微观结构和性能的精准调控。结果表明，适量的磷酸钙能够显著提高PI薄膜的拉伸强度和石墨膜的热导率，同时减少晶格缺陷，增大晶粒尺寸。此外，模拟散热测试进一步验证了该石墨膜在电子设备散热领域的潜在应用价值。本研究为高导热PI基石墨膜的制备和应用提供了重要的理论依据和技术支持。 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第5期，欢迎引用本文： 刘琪瑞,但沁松,王坤峰,等.高导热聚酰亚胺基石墨膜的制备及其性能研究[J].功能材料, 2025,56(5):05001-05007. Liu Q Q,Dan Q S,Wang K F,et al.Preparation and performance of high thermal conductivity polyimide-based graphite film[J].Journal of Functional Materials, 2025,56(5):05001-05007.