浙大高超团队：石墨烯又有新成果！
主要亮点
本文提出了一套准确、高效、可重复的稳态电热法可用于石墨烯膜面内导热系数的精准可靠测量。
· 精度提升：测试误差< 3.0%，结果复现性好，不确定度低于0.5%，优于商用测量法(1.8%–3.0%)；
· 效率突破：稳态响应时间短，测量效率高；
· 普适性强：建立了可评价厚度范围广泛的石墨烯膜导热测试方法。
此外，本文提出了可行性的操作建议和标准化的测试流程，为材料导热性能的准确评估提供有益的指导，也为高性能石墨质膜的研制及应用提供重要的技术支撑。
研究背景 人工智能时代随着对电子设备集成度和性能需求的不断提升，散热问题逐渐成为大功率便携式电子器件可靠运行和跨代发展的瓶颈。石墨烯膜材料作为一种兼具耐弯折、低密度且可规模化制备的柔性高导热材料备受研究人员青睐，是一种解决高功率高热流密度电子器件散热难题的理想材料。导热系数作为一项评价其基础性能的重要参数，实现其精确测量对于理解材料基础物性、优化制备工艺以及实际工程应用都具有重要意义。然而，现有的商业化导热测试设备，囿于测试原理、样品尺寸等因素，难以同时实现准确、高效、可靠的测量。因此开发操作简便、精度优异、测试快捷、可跨尺度的测量方案仍是一个重要挑战。
核心内容 1. 实验装置 本研究采用改进的稳态电热法来测量石墨烯膜的面内导热系数。测试装置如图所示，主要由控制单元、加热单元、真空单元、测温单元四个模块构成。稳态电热法的测试原理是通过对试样施加热电流，待试样表面温度稳定后基于其温度分布曲线计算试样导热系数。根据其测试原理，测量结果的准确性受到热量损失标定、尺寸性能匹配、测试系统设计以及数据分析处理等四方面因素影响。 图1 稳态电热法测量石墨烯膜导热系数的装置图。(a) 测量装置；(b) 样品温度分布曲线示意图。 2. 原理误差优化 固体内部热量传输主要由热传导，热辐射和热对流三种形式组成。热辐射和热对流的存在会造成热量损失，严重干扰测量结果的准确性。因此浙大团队通过理论公式推导结合实验数据辅助，提出以下措施大幅降低干扰：(1) 真空环境测试。消除热对流影响，大幅降低热损占比的40%；(2) 温升阈值控制。限制最高温升≤ 40 K，样品比表面积< 0.07 m?1时，控制测试误差＜ 0.50%。 图2 三种传热方式的热损占比以及测试误差仿真结果图。(a) 传热过程示意图；(b) 环境对于导热测量的影响；(c–d) 25 μm和 (e) 100 μm厚度样品中三种传热方式的占比；(f) 测试偏差随样品温度变化；(g) 测试偏差随样品厚度变化。 3. 样品尺寸调控 稳态电热法测量导热系数的理论公式成立，有前提条件：要求热流在样品中沿轴向一维传递，即样品等温面应平行于样品轴向分布。先前的报道中往往并没有严格考虑这一前提，就会导致测量结果偏差大等问题。样品尺寸不仅会通过改变比表面积影响热损占比，同时对热流方向以及等温面分布产生影响。 为了进一步降低测量误差，结合实验结果与仿真模拟，就可以得到样品的长径比(L/w)与长厚比(L/t)的应用下限。同时，样品的长宽比与长厚比并非越大越好，也受到样品导热性能的限制。当样品导热系数较低、样品长宽比或长厚比过大时，待测样品稳态温度分布将不呈现理论的“抛物线”形式，反而呈现“几”型甚至“三角形”分布，不满足测试条件，导致测试结果偏大甚至数倍于实际值。经过理论公式推导，可得到样品尺寸的应用上限。 所以，应该控制样品的长度2L∈[100t, 0.0955(Kwt/P)1/2] (国际单位制)，样品宽度w小于0.2L。 图3 样品尺寸对测试结果的影响。(a) 红外测温图；(b) 不同长度和 (c) 不同宽度样品的导热测量结果；(d) 石墨烯膜电加热传热示意图；(e) 25和100 ?m样品X-Y平面稳态温度分布的红外图像；(f) 样品不同X轴位置处的垂直温度分布曲线；(g) 不同条件下样品表面温度分布曲线；(h) 满足本方法测量要求的阈值平面(以上部分)；(i) 500 μm厚膜样品导热测量中的稳态温度分布仿真图。 4. 测试系统设计 除了原理误差，测试系统的测量准确性同样会影响最终结果。传统接触式测温由于接触热阻导致误差，非接触式红外测温易受发射率、透过率等干扰。浙大团队经过反复实验验证，提出以下措施提升测量精度：(1) 石墨涂层校准。在待测样品表面喷涂均匀薄层石墨，使发射率稳定(波动< 0.02)；(2) 窗口透过率调整。联用热电偶与红外相机，精准匹配红外窗口透过率；(3) 四线法测功率。将导热测量结果波动(16.6%)大幅降低至0.4%；(4) 电压温度匹配。样品长度应与两端的电压降以及温差对应匹配，否则导致测量误差显著增加。 图4 测试装置参数对测试结果的影响。(a) 测量装置侧面透视示意图；(b) 同一样品在不同发射率(粗糙度)下的红外图像；(c) 表面喷碳处理对于同一样品不同温度下发射率，以及导热测量结果的影响；(d) 红外相机的设定透过率对于测得的红外温度及其计算得到的导热系数的影响；(e) 功率测试方法对于导热测量结果稳定性的影响对比；(f) 银胶不良涂敷时的红外图像；(g) 样品表面轴向温升和电压分布情况。 5. 数据处理分析 传统的稳态电热法依赖人工选取温度点确定温差，选点偏差可导致结果误差达700%。改进的稳态电热法创新采用数据拟合优化原始数据，优选符合测试前提的测量结果，拟合抛物线温度分布，将测量结果准确率提高25%。 图5 数据分析对测试结果的影响。(a) 传统稳态电热法选点(A, O)偏移示意图；(b) 选点偏移导致的导热系数计算结果对比；(c) 低温升条件下样品上表面温度分布曲线及其拟合结果；(d) 拟合相关系数R2随样品温升的变化曲线；(e) 改进的稳态电加热法数据处理示意图；(f) 样品最大温升20 K时的上表面温度分布曲线及其拟合结果；(g) 数据处理后的不同加热功率下的样品上表面温度分布图；(h) 样品最大温升与加热功率的关系曲线；(i) 原始数据与拟合数据计算得到的样品导热系数。 6. 测试结果比较 目前认可度高且商用的导热测试方法主要有激光闪射法、平面热源法和稳态热流法等。本研究的改进稳态电热法与商用的导热测量方法相比，表现出结果准确性高(误差小于3.0%)，效率高(响应时间毫秒级)，不确定度低，稳定性高。 图6 稳态电热法性能展示图。(a) 薄膜样品与 (b) 厚膜样品不同导热测试方法的测量结果对比；(c) 样品温度响应示意图；(d) 导热测量结果稳定性。
结论与展望 我们提出一种基于稳态电热法针对石墨烯膜导热性能的可靠测量方案。通过对不同测量条件下导热测试结果进行分析比较，结合实验数据与有限元模拟，从原理分析、操作改进、数据处理三个方面进行全方面优化，将测量误差控制在3.0%内，不确定性降至0.5%，稳态响应时间达毫秒级，展示其高准确性、可重复性、快响应性和广泛的样品尺寸适用性。为最大限度地减少测量误差，提出可行性的操作建议和标准化的测试流程。本工作希望通过建立可靠的导热系数测量方案，为高导热石墨烯膜材料导热性能的准确评估提供有益的指导，也为高导热材料的测量研究及导热应用提供重要的技术支撑。
参考文献 陆嘉灏, 明鑫, 刘英军, 郝媛媛, 张佩娟, 施淞瀚, 毛艺, 于悦, 蔡盛赢, 许震, 高超. 基于稳态电热法的石墨烯膜导热系数的精确可靠测量. 物理化学学报, 2025, 41 (5), 100045. DOI: 10.1016/j.actphy.2025.100045