石墨烯具備高導熱特性,可否做為 5G 設備的散熱材料?

【為什麼我們要挑選這篇文章】石墨烯是 2000 年代研發的新興材料,具有高導熱性的特性;同時,5G 設備有高散熱的需求,石墨烯是否可作為 5G 設備的散熱材料?(責任編輯:郭家宏)

石墨烯在智慧手機上確實有一些運用。早在兩年前,華為首次在 Mate 20 系列手機中加入石墨烯輔助散熱;在最新的小米 10 系列手機上,石墨烯材料也作為導熱膜運用在元件散熱中。

實際上,不僅僅是手機。在生活當中,石墨烯的運用領域很廣。比如在環保材料中,加入石墨烯可以起到良好的隔熱效應;而石墨烯也可以作為導熱膜,塗在任何電子元器件上導熱性能優異;石墨烯也可以加到鋰電池中,這是因為石墨烯的導電性可以利於激發電子活性,實現快充。

5G 設備需要更強的散熱系統,石墨烯有望作為散熱解決方案

這一切都是因為材料本身的特性。據 PingWest 品玩瞭解,石墨烯是世界上最薄卻也是最堅硬的奈米材料,導熱係數很高,在常溫下電子遷移率高於奈米碳管和矽,這意味著它也可以深入到上游的電子元件和電晶體,而電阻率又比銅或銀更低。這也是石墨烯被譽為「黑金」材料的主要原因。

石墨烯是在 2004 年由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地在實驗室中的石墨中分離出來,2010 年兩人獲得諾貝爾物理學獎之後,石墨烯走入大眾視野。

「實際上,相比之前熱炒的『新材料之王』,石墨烯更像是一種『工業鹽』」,蔡金明告訴 PingWest 品玩。

蔡金明是墨睿科技董事長,昆明理工大學教授、博導,中科院(中國科學院)物理研究所博士、美國橡樹嶺國家實驗室訪問學者、瑞士聯邦材料科學與技術研究所博士後。而墨睿科技 2015 年成立,是一家專門從事石墨烯等先進材料應用開發的高科技新材料公司。「成立於 2015 年的墨睿科技是國內唯一一家覆蓋從化學法石墨烯製備到高性能導熱膜量產的新材料科技企業。」——墨睿科技在官網上這樣寫道。

2020 年 2 月,小米產業投資部透露小米投資了從事化學法石墨烯生產的廣東墨睿科技有限公司,據 PingWest 品玩瞭解,交易在去年 11 月完成,投資金額為數千萬人民幣。隨後小米 10 系列就利用了石墨烯高性能導熱膜量進行散熱控溫。

據 PingWest 品玩了解,目前墨睿科技業務主要集中在四個方向。包括手機導熱膜方向的熱管理產品研發,動力鋰電池性能提升的新能源產品研發,化工石墨烯塗料的先進複合材料研發,以及利用石墨烯的抗菌性的大健康研發領域。

與蔡金明博士的交流過程中,我們有一個感受,就是 5G 時代來臨,隨著晶片計算性能的提升,同時也需要更強的輔助散熱。石墨烯材料將可能成為今年 5G 手機場景落地的「拳頭級產品」。這也是今年墨睿科技研發的主要方向。

我們也就石墨烯材料如何在國內上中下游,以及終端上具體應用、石墨烯行業發展等問題與蔡金明展開對話。

以下是 PingWest 品玩和墨睿科技董事長蔡金明的對話,對話經過不修改原意的整理。

石墨烯可用機械法或化學法製造,但大規模量產仍有問題待解決

PingWes t 品玩:我看到我們公司的產品欄目寫了粉體、薄膜和應用,是不是說我們的主要業務就分為這幾塊?

蔡金明:石墨烯目前的量產主要通過兩種方法,一種是機械法,一種是化學法。這兩種方法製備出來的石墨烯都是粉體狀的,但是它的性能和物理化學等各種特性都不太一樣。我們今天說的石墨烯導熱膜實際上是由化學法石墨烯來製備成導熱膜。

首先透過化學反應把鱗片石墨一層一層的撥開,整個過程會涉及強酸、強氧化劑等等。化學法製備是比較難的,目前中國能夠用化學法之類石墨烯的廠家也不多。透過化學法製備出石墨烯的漿料後,用塗布機把它塗成薄膜,再在碳化爐和石墨化爐把它燒結成我們所需要的導熱膜。

厚的石墨烯導熱膜的導熱係數比目前主流的人工石墨片要高,而 5G 的發展對於散熱的需求越來越高,我們化學法石墨烯導熱膜主要就是針對這種 5G 產品的散熱需求。

PingWest 品玩:粉體、薄膜和應用在行業上的應用案例和客戶大概是哪些?

蔡金明:墨睿科技是從化學法石墨烯量產、到燒結成膜,再到模切供應手機全鏈條生產的,目前市面上更多的公司其實是三個環節獨立進行。比如化學法石墨烯的製備,目前中國做的比較好的企業有常州的第六元素,上海烯望等。在做導熱膜這一塊,目前做的比較好的有富稀科技等。在模切這一塊就比較多了,因為人工石墨的模切跟石墨烯導熱膜的模切其實差不多,目前主流的這些模切廠基本上都可以做模切。大概是這個情況。

PingWest 品玩:我理解墨睿科技在產品化上可能有三個方向,那麼在哪些方向會比較強一些,還是我們就是一家綜合性比較強的公司。

蔡金明:導熱膜的製備與應用只是墨睿在熱管理領域的一個應用,是目前主推的一個方向。我們還有新能源領域應用,比如說導電液,我們有做石墨烯的導電液,用在鋰離子電池當中。還有先進複合材料研發,就是將石墨烯加入到一些高分子材料中,增加這些高分子複合材料的強度,減輕重量,這樣我們的一些產品就可以實現增強減重了。最後還有一個方向就是生物大健康領域,石墨烯具備抗菌性和化學穩定性,我們最近開發了一款石墨烯面膜,主要是針對青春痘(痤瘡桿菌)和脂溢性皮炎。以上就是我們墨睿科技進行應用開發的四個方向。

實際上,墨睿科技其實不是一個簡單的生產石墨烯粉體或者薄膜等原材料的公司。我們從學、研、產、用這幾方面做了佈局。我們跟學校具有非常緊密的合作,我本身還是昆明理工大學的特聘教授,主要是培養石墨烯行業的一些碩士、博士,這是「學」的部分。然後墨睿科技做石墨烯生產和應用開發,比如剛才講到的四大類應用,這是「研」。然後,我們會跟下游的企業合作共同進行生產,例如導熱膜產品,因為生產涉及很多化工工藝,我們與雲南雲天化集團合作成立合資公司,各自發揮優勢,把導熱膜生產出來,這是「產」。產品再推向下游像小米等應用端,這就是「用」,墨睿科技致力於石墨烯的學研產用。

PingWest 品玩:您覺得在整個石墨烯行業的流程鏈條裡,最核心的技術攻堅應該是哪部分?

蔡金明:石墨烯從 2004 年發現到現在也就 10 多年的時間,而真正被大家看到是在 2010 年獲得諾貝爾物理學獎之後。這之後一些企業不管是概念也好,炒作也好,才開始慢慢開展這方面的應用研究。

從製備上來看,石墨烯的大規模量產還存在不少問題。製備石墨烯的方法很多,有機械法、化學法、化學氣相沉積法等。目前大多數用機械法製備的石墨烯,純石墨烯的含量不高,當然由於石墨烯的存在,也有一些特定的應用方向,但機械法的優勢在於成本相對較低。化學法的技術門檻就比較高,是一個多步化學反應的過程,當中有強酸、強氧化劑,還有一些易燃易爆品,所以化學法技術門檻高,真正能解決量產工藝的企業比較少。而像化學氣相沉積法製備的石墨烯現在按照平方公尺來算成本,有的 10×10 公分大概賣到 1000 塊人民幣(約新台幣 4.5 萬元),目前用戶還主要是科研院所,成本問題解決不了的話,後端的應用也是比較難。

從應用上看,雖然石墨烯是一種性能非常優異的材料,比如說導電性最好、導熱性最好、強度最高等等,但是它又是一種新的材料,是第一種二維材料,我們生活在一個三維的空間,要使用二維的材料,尋找一個種不可被替代的應用確實是比較難的。所以真正的拳頭型產品目前來看應用還不多。很多時候在一些應用中,石墨烯更多是被當成添加劑使用,有點像炒菜用的鹽,主要還是菜,鹽只是提升了菜的品質。

這樣看,導熱膜應該算是石墨烯應用中一個拳頭型的產品,一方面是因為石墨烯本身的導熱性能非常好,在 5G 通訊的發展過程當中,對於散熱的需求會越來越強。另一方面,石墨烯做導熱膜,石墨烯的作用不再是添加劑,是一個由石墨烯為主材構成的產品。

石墨烯 CP 值高,但產能跟不上市場需求

PingWest 品玩:您剛才提到拳頭型產品,石墨烯除了在 5G 手機的應用,其他的應用案例有嗎?

蔡金明:我為什麼只說手機,是因為手機市場的需求遠遠大於我們目前的產能。實際上很多電子產品,比如說筆記本電腦,它裡頭用的也是人工石墨,如果說石墨烯導熱膜的性價比比人工石墨高,為什麼不用石墨烯呢?

PingWest 品玩:應用可能還是因為成本的問題,我想具體問一下現在的手機廠商裡除了小米、華為,還有其他公司會用這種材料作為手機的導熱部件嗎?

蔡金明:主流的導熱其實是人工石墨,它的原材料是聚酰亞胺薄膜,而最好的聚酰亞胺薄膜是美國杜邦公司生產的。這一部分成本占到了人工石墨膜當中的 70%。雖然中國現在有一些企業也開始慢慢的生產聚酰亞胺薄膜,但他的性能跟杜邦還是有一定的差距,這個是人工石墨。

再者,受到聚酰亞胺原料的厚度限制,多數人工石墨只能做到 40 微米,但是目前 5G 通訊散熱需求 40 微米的人工石墨無法滿足,需要多層疊加,就是用雙面膠一層層粘起來,算上成品率和人工等費用,一個多層疊加的厚的人工石墨片的成本並不會很低。但是,石墨烯導熱膜採用石墨烯漿料塗布,它的厚度是可以定製的。所以同樣厚度的厚的石墨烯導熱膜的成本可以做到與多層疊加的人工石墨片差不多,但導熱性能可以更好,性價比就凸現出來了。

除了小米和華為,其他一些主流的手機廠商也對這個產品非常感興趣。

PingWest 品玩:我明白石墨烯導熱膜可能比人工石墨效果更好,問題是一個手機用這個的成本大概是多少?

蔡金明:也就是幾塊錢的成本。

PingWest 品玩:既然它是一個性能非常好的東西,幾塊錢也並不貴,但為什麼用這個技術的手機公司反而卻不是很多?

蔡金明:這確實是一個問題。實際上,石墨烯導熱膜是一種很新的產品,並不是說大家不想用,而是產能還跟不上,現在只有我剛才聊到的幾個公司能量產。墨睿研究石墨烯是從 2005 年就開始了,然後從 2017 年開始做石墨烯導熱膜的開發。2018 年 10 月份,華為 Mate 20 系列首先採用了石墨烯導熱膜。很遺憾當時我們化學法石墨烯導熱膜還不能量產,直到 2019 年 11 月我們才搭建好生產線,做到批量化生產。目前我們正在與各手機廠商密切的交流與溝通。

PingWest 品玩:拿了小米的錢,我們現在是獨家供應小米嗎?

蔡金明:小米是 2019 年 9 月份投資了墨睿科技,9 月份上會,11 月份簽投資協議。小米產投也說了,我們投資你們是幫助你們,並不是限制你們,所以我們並沒有簽訂這種排他協議。除了小米,包括 vivo、OPPO,甚至華為,我們都可以去供貨,只要在我們產能能夠跟上的情況下。當然小米做了我們的股東,我們可能會有一個優惠的價格。

PingWest 品玩:OPPO、vivo 有過來再繼續洽談過相關的業務嗎?

蔡金明:都有在持續溝通,我們也給 vivo 送測的樣本,實際上,OV 作為全球性的手機公司,他們都在產品升級下來很大的功夫。而且本身 OV 是東莞的企業,我們墨睿科技也在東莞,所以跟他們還是有比較好的互動。

PingWest 品玩:您剛才提到產能問題,現在咱們的產能大概是多少?

蔡金明:攻克了這些技術之後,我們先建了一條生產線,那麼目前我們的產能是 6 萬平方(公尺),到 2020 年年底,我們計劃做到 10 萬平方/月。一個平方大概可以用到 100 台手機上。

PingWest 品玩:客戶主要是手機公司嗎?

蔡金明:目前的客戶主要是手機。去年全球的手機的出貨量大概是 13.7 億部,那麼中國的手機出貨量大概是 4 億部,實際上我們 120 萬平方/年的出貨量,還只是滿足一小部分手機的需求。

PingWest 品玩:感覺導熱膜是我們營收中占比最多的一塊?

蔡金明:在目前來說,這個就是我們今年導向市場最重要的一個產品。

PingWest 品玩:有沒有預計過我們今年的收入或者說市場發展空間大概是怎樣?

蔡金明:前瞻產業研究院預估,2018~2023 年散熱產業年復合成長率達 8%,市場規模有望從 2018 年的 1497 億元(人民幣,約新台幣 6737 億元)增長到 2023 年的 2199 億元(人民幣,約新台幣 9896 億元)。其中手機散熱約占行業總規模的 7%,2018 年約為 100 億元(人民幣,約新台幣 4500 億元),受益於 5G 升級驅動,手機散熱市場 2018~2022 年年平均複合增長率有望達 26%。

我們預計 3 年內導熱膜的利潤應該有 2.5 個億(人民幣,約新台幣 11.3 億元),今年原本規劃是 5000 萬(人民幣,約新台幣 2.3 億元)左右,但因為現在疫情的影響,可能會有一些滯後。但我們認為三年的這個計劃應該還是可以實現的。

石墨烯目前可做為鋰電池添加劑,提升充放電性能

PingWest 品玩:剛才我們聊到了石墨烯是「工業鹽」這種概念,我想起前幾年聽到石墨烯的電池很夯,現在看這個概念是不是就是一個假的概念。

蔡金明:在 2015 年,有一個課題組發了一篇論文,在這篇論文裡講到石墨烯電池可以實現快充快放,理論上充電 5 分鐘可以跑 800 公里等。在實驗室內部它確實有一個理論支撐,但是真正要工業化實現那種石墨烯電池生產,不論從成本、從工藝,基本上短期內還是非常困難的。

現在有一些電池當中確實使用了石墨烯,但它還是作為一種添加材料,石墨烯主要用在鋰離子電池的正極導電液裡。它可以讓電池的循環壽命更長一些,同時在快充快放的情況下,保證電池沒有很高的溫升。有些汽車公司比如說比亞迪,實際上有在用石墨烯導電劑做動力電池。

PingWest 品玩:我前段時間看到一個消息說三星可能在 2020 或 2021 推出一款配備石墨烯電池的手機,新聞說三星在石墨烯技術上已經取得了突破。

蔡金明:從我的看法,所謂的石墨烯電池,可能主體還是鋰離子電池,它可能更多的使用了石墨烯的一些特性。真正革命性的電池產品,我覺得還沒有出現。

PingWest 品玩:其實(中國)政府現在也在鼓勵電動車,這方面的業務為什麼沒有考慮。

蔡金明:有考慮過。最早我們導電劑產品是和一家電池廠合作。但是因為帳期太長,從賣出去導電劑到收回款大概短則半年,長的超過十個月時間,我們是一個新創公司,現金流是我們重要關注的,所以我們就沒有去做大規模的生產。

小米進來成為我們股東之後,除了手機,我們可能會在可穿戴設備的電池方面去做一些突破,例如藍芽耳機、手錶、手環內置的電池。

另外,小米除了有手機,還有小米生態鏈,我們也在想和生態鏈的其他產品結合。

PingWest 品玩:是不是說小米以後大部分用電池的產品,都可能會用上這種導電劑產品。

蔡金明:這就要看小米對我們產品的評估了。

PingWest 品玩:現在可穿戴設備其實是已經確定的嗎?

蔡金明:這是我們定下來的目標,我們正在往前推,但具體推到什麼樣的程度,或者市場的接受度能有多少,我現在還不能保證。但是這確實是我們要推的一個方向。

PingWest 品玩:其實添加劑這種概念,我在網絡上也看到一種說法,他們認為這種加入材料的方式技術門檻很低,然後行業同質化也很嚴重。

蔡金明:這確實是一個問題。目前市面上很多做石墨烯的公司都是生產機械法的石墨烯,產品也是簡單添加復合,看起來同質化嚴重。但在我看來,機械法製備石墨烯的技術門檻看似低一些,簡單復合好像也不難,但要把石墨烯用好,還是很有挑戰的。比如目前機械法製備的石墨烯含量不到 5%,那能不能透過技術提升到 20%,這就是對技術提出了新的要求。又例如剛才說的導電劑,鋰電池是很多材料共同作用的結果,並不是加進去石墨烯就能提升性能,要有效果,需對石墨烯和鋰電池有很深的理解,才能讓各種材料配合好,達到性能的提升。另外製備高分子複合材料,怎麼把石墨烯與基材混合均勻保證更好的性能,也是很考驗理論積累和實際技術的。

另外化學法的石墨烯,市面上只有三五家可以做,就意味著它要求很高的技術,對化學反應有非常精確的控制,對產生的尾液做到零排放。我們和雲南雲天化集團合作,共同解決了化學反應精確控制的工藝。另外,雲天化生產的濃硫酸是我們的一種原料,生產的尾液雲天化可以用於其它化工生產,這樣就實現了零排放,環保成本也大大降低。這樣的性價比,才可以與市面上的同類產品 PK。

導熱膜有望成為石墨烯的拳頭商品,滿足 5G 時代的需求

PingWest 品玩:能不能介紹一下我們現在的研發團隊的規模?

蔡金明:墨睿科技不包括子公司目前不到 40 個人,研發團隊有 20 多個人。其中有 4 個國家高層次人才,3 個國家千人計劃,2 個省千人計劃。20 多個人當中有 9 個博士,其他都是碩士或者本科以上,碩士大概是一半以上。另外,我們這個團隊從 2005 年就開始做石墨烯研究。

PingWest 品玩:公司研發的投入大概有多少?

蔡金明:墨睿科技自身 80% 左右都投入在研發,這不包括對外的投入,例如我們與雲天化集團共同成立合資子公司做導熱膜,投入是很大的,這也是我們融資的原因。我們從 2015 年成立到現在,研發方面大概投入了幾千萬。墨睿前期主要都是研發投入,但在 2020 年,我們導熱膜大規模在手機上應用後,應該會有比較多的營收。

PingWest 品玩:感覺你們是一家很有技術背景的公司,但又有一種多年沒有被人發現的感覺,然後一直也沒著急做營收,直到去年才找到了小米做 A 輪,然後開始做批量生產,這一點上我不是很理解。

蔡金明:實際上我是從 2005 年就開始做石墨烯,2014 年從國外回來,那時中國做石墨烯的企業已經很多了,當時的感覺就是真真假假,我就覺得我都做了 10 年的石墨烯了,應該把我學的這些東西真正應用起來,所以在做了很多的這種調研之後,我們在 2015 年的 10 月註冊了廣東墨睿科技,2016 年 10 月我們跟東莞市道滘鎮政府合辦了一家道睿石墨烯研究院,那時候我們有了一些前期投資投入,2017 年 7 月份研發平台建立。通過一些研發產品的開發拿到了 Pre-A 輪,之前實際上都是我們股東自己的一些投入,然後 2019 年 8 月深創投先進來,9 月小米產投進來。2020 年我們算是真正有產品轉化的一年,能夠批量生產,而且可以做盈利。所以之前幾年可能都算是在一個積累的、開發的階段。

PingWest 品玩:最後一個問題,前幾年感覺聽到石墨烯的概念比較多,大家就炒「新材料之王」,國家層面其實會有一些政策去支持。然後感覺最近石墨烯這種概念好像少了,去年可能有一些,就是這種「工業味精」的概念,從你們專業的角度來說,怎麼看過去這幾年石墨烯技術的發展,以及未來它會是一個什麼樣的方向?

蔡金明:石墨烯最早在科研界是非常熱的。在諾貝爾獎出來之後,咱們中國對石墨烯的一些炒作也開始變多。經過市場一段時間的熱炒熱捧,最後又發現並沒有太多革命性的產品出來,於是近期市場就漸漸冷靜下來。

不過我覺得國家層面對石墨烯的認識非常清楚,這是一個好的東西,那麼就去支持它的發展, 國家層面制定的規劃是一如既往的,這個沒有變冷或變熱。

石墨烯畢竟只有 10 多年的時間,我們需要給這種新材料一定的時間去成長,去發展。我覺得現在實際上是一個比較好的階段,大家慢慢的能夠客觀冷靜的去看待這個事物,思考石墨烯真正能夠給市場帶來什麼。

石墨烯導熱膜 100% 原料都是石墨烯,導熱性又比現在用的材料好,滿足了 5G 時代的發展需求。我認為這就是一種拳頭型的產品。我相信在未來,如果一系列能夠代替原有產品、性價比更高、不易被取代的石墨烯產品能夠開發出來的話,石墨烯肯定是有非常大的前景。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈5G 来了,石墨烯的春天来了吗?〉。首圖來源:維基百科

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