CN114760809B - 碳材及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种碳材及其应用，该碳材在至少一个方向上的断裂伸长率≥5％，面内热扩散系数≥500mm²/s，碳材表面具有多个褶皱结构，碳材表面的1μm²单位面积内的褶皱结构的总长度在1μm‑500μm范围内。本申请实施例的碳材具有较高的断裂伸长率和面内热扩散系数，兼具高柔性和高热扩散性能，可以在可弯折电子设备中作为散热材料使用，满足可弯折电子设备的弯折和散热需求。本申请还提供了包含该碳材的散热模组、电子设备、电池系统和半导体结构。

Description

碳材及其应用

技术领域

本申请实施例涉及散热技术领域，特别是涉及一种碳材及其应用。

背景技术

智能手机进入折叠机时代，小折叠屏手机的散热能力可近似于直板机，大折叠屏手机的散热面积大，散热能力可远超直板机。但折叠机转轴要求能通过≥10万次弯折的可靠性测试，而目前的大部分散热器件，如金属热管(Heat Pipe，HP)，均热板(vaporchamber，VC，也叫平面热管)，非金属人工石墨片，石墨烯导热膜等，均无法直接通过≥10万次U型180°弯折的可靠性测试。另外，如图1所示，折叠屏手机10的转轴11将主屏12和副屏13隔开，系统级芯片、充电芯片等主发热器件集中在主屏12主板上，系统级芯片、充电芯片散热能力不足，热量集中在主屏12，难以传递到副屏13区域，导致两屏温差较大，限制了折叠机的性能发挥，影响了用户热体验。

发明内容

鉴于此，本申请实施例提供一种碳材，该碳材兼具高柔性、可弯折和高热扩散性能，可以在可弯折电子设备中作为散热材料使用，满足可弯折电子设备的弯折和散热需求，以在一定程度上解决现有可弯折电子设备散热难的问题。

具体地，本申请实施例第一方面提供一种碳材，所述碳材在至少一个方向上的断裂伸长率≥5％，所述碳材的面内热扩散系数≥500mm²/s，所述碳材表面具有多个褶皱结构，所述碳材表面的1μm²单位面积内的褶皱结构的总长度在1μm-500μm范围内。

本申请实施例通过在碳材表面设置褶皱结构，并调控碳材表面的褶皱结构密度，可以在提升碳材断裂伸长率的同时，保持碳材高导热性能，最终使碳材同时具有较高的断裂伸长率和面内热扩散系数，兼具可弯折和高热扩散性能，能够较好地满足有弯折需求的散热场景，例如作为散热材料用于折叠屏终端设备，碳材在折叠屏终端设备中应用时可以是跨两屏或多屏设置，满足折叠屏终端设备弯折可靠性测试要求，同时能够较好地实现主屏与副屏之间的热扩散传递，减小各屏温差，提升折叠机性能和用户温度体验。

本申请实施方式中，褶皱结构的设计可以有效提升碳材的断裂伸长率。较大的断裂伸长率使得碳材在弯折中不易断裂，耐多次弯折。所述多个褶皱结构可以是包括多个毫米级长度的宏观褶皱结构，和/或多个微米或亚微米级长度的微观褶皱结构。本申请实施例的碳材整个表面都分布有褶皱结构，整个碳材的各区域都具有良好的可弯折性能和散热性能，不需要通过分区域贴合在可折叠设备中，便于在可折叠设备中直接使用。

本申请实施方式中，所述多个宏观褶皱结构在所述碳材表面呈取向分布；所述多个微观褶皱结构在所述碳材表面呈不规则分布。宏观褶皱结构在碳材表面呈取向分布有利于提升碳材与该取向分布方向垂直的方向上的可拉伸性能，更好地满足可折叠终端设备的高弯折可靠性测试。微观褶皱结构在碳材表面呈不规则分布可以更好地在提升碳材在各个方向上的断裂伸长率。

本申请实施方式中，所述碳材的平均表面粗糙度Ra大于100nm。本申请实施例碳材具有褶皱结构，使得表面粗糙度较大，较大的平均表面粗糙度，有利于提升碳材的柔性可弯折性能。

本申请实施方式中，所述碳材在厚度≤5mm范围内具有原生膜特性。本申请碳材在厚度≤5mm范围内具有原生膜特性，即5mm厚度范围内的碳材都不需要采用胶进行粘接，从而可以提高碳材的热扩散性能和结构稳定性，更好地适应大厚度应用需求。

本申请实施方式中，所述碳材包括多层堆叠的碳原子层，所述碳材中，所述多层堆叠的碳原子层的层间旋转堆叠占比≥10％。碳材中，多层碳原子层部分以ABA堆叠方式(Graphite carbor，G碳)堆叠，另一部分以旋转堆叠方式(Turbostratic carbon，Ts碳)堆叠，旋转堆叠即ABC堆叠。由于ABA堆叠结构相对ABC堆叠结构具有更窄的碳原子层层间距，而较窄的层间距将导致层间声子散热较为严重，因此会使得材料的热扩散系数和导热系数难以大幅度提升，本申请实施例的碳材中碳原子层的旋转堆叠占比较高，相应地ABA堆叠占比降低，碳原子层旋转堆叠占比的提升使得碳材的面内热扩散系数大幅提升。本申请实施例的碳材具有非常高的热扩散系数，能够实现X-Y平面方向的快速热扩散，可以以大面积的膜或片或板的形式应用于具有高散热需求的设备中，为设备发热点均热，快速转移热点热量，防止热点失效问题的发生，提高设备的安全稳定性。

本申请实施方式中，所述碳材的晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于50nm。本申请碳材的晶粒L_c尺寸较大，有利于获得较大厚度范围内具有原生膜特性的碳材，从而有利于碳材在散热均热薄膜厚度要求高的场景中的应用，避免采用多层胶进行粘合来获得较大厚度的碳材，从而更好地满足未来5G、6G等更高功耗的设备的散热需求。

本申请实施方式中，所述碳材的晶粒在晶体学上的L_a尺寸大于或等于10μm。本申请碳材具有较大的单晶L_a尺寸，将可以获得较大的声子自由程，从而提升碳材的导热性能，获得较高的热扩散系数。

本申请实施方式中，所述碳材中C＝C的占比≥80％。碳材中碳碳双键C＝C的占比越高，则表明碳材的石墨化程度越高，石墨化程度越高越有利于获得具有更高的热扩散系数。

本申请实施方式中，所述多层堆叠的碳原子层的层间距离≥0.3nm且≤0.5nm。较小的碳层间距有利于提升碳材的面内热扩散性能。

本申请实施方式中，所述碳材的断裂强度≥30MPa。本申请实施例碳材具有较高的断裂强度，表明其柔软性能和可弯折性能较好，抗拉伸性好，可以较好地应用于有弯折需求的应用场景中。

本申请实施方式中，碳材可以是薄膜状、片状或板状等，所述碳材包括碳膜、碳片或碳板。

本申请实施方式中，所述碳材由氧化石墨经石墨化得到。氧化石墨原材易得，利于工业化生产。

本申请实施方式中，所述碳材由氧化石墨经石墨化得到，在采用所述氧化石墨制备碳材的过程中，在氧化石墨溶液中加入挥发性溶剂，通过蒸发所述挥发性溶剂形成褶皱结构；和/或将石墨化前的碳材前驱体沿第一轴向和/或第二轴向反复挤压和拉伸，形成褶皱结构，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直。本申请实施例通过采用挥发性溶剂快速蒸发干燥的方法有利于使碳材表面形成多个随机分布的微观褶皱结构，该褶皱形成方法绿色环保，快速简便，不需要使用有毒有害的还原剂、发泡剂等，通过调控挥发性溶剂种类、蒸发过程的升温速度等即可对形成的褶皱结构面密度进行调控，工艺过程具有优异的落地性。本申请实施例通过对石墨化前的碳材前驱体沿第一轴向和/或第二轴向反复拉伸和挤压，形成多个取向分布的收缩的宏观褶皱结构，该褶皱形成方法易于控制，可以赋予碳材高柔性。

本申请实施例第二方面提供一种散热模组，所述散热模组包括本申请实施例第一方面所述的碳材。采用本申请实施例的碳材作为散热材料，可以提高散热模组的散热性能和一定的可弯折性能。本申请实施例散热模组可以是单独包括上述碳材，也可以是包括碳材和其他散热材料或散热元件(如均热片、散热膜等)，即碳材与其他散热材料或散热元件组合使用。该散热模组可以用于为发热元件散热，将发热元件产生的热量及时传递至散热端，实现导热和均热。该散热模组可以用于各种有散热需求的电子设备中，例如可以是用于电池、手机、平板电脑、笔记本电脑、手表、手环等电子设备中，尤其是可以用于可折叠的电子设备中，同时满足弯折和散热的需求。具体地，散热模组可以是设置在电路板与电路板之间，电路板与电子设备壳体之间，功率器件与电子设备壳体之间，或者粘贴在芯片上等。

本申请一些实施方式中，所述散热模组还包括贴合设置在所述碳材表面或嵌设在所述碳材中的散热元件。

本申请一些实施方式中，所述散热模组包括基座和设置在所述基座上的散热翅片，所述基座和/或所述散热翅片采用所述碳材。

本申请实施方式中，所述散热模组还包括与所述基座和所述散热翅片相连接的热管和/或均热板。

本申请实施例第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括本申请实施例第一方面所述的碳材，或者包括本申请实施例第二方面所述的散热模组。将本申请实施例提供的碳材应用于电子设备中进行散热均热，碳材散热均热性能好，且碳材在电子设备中的设置位置、形状尺寸设计灵活，易组装固定，能够较好地满足电子设备散热需求。同时本申请实施例提供的碳材还具有优异的柔性可弯折性能，可以满足可折叠电子设备跨轴散热需求，有效为各屏之间均热，改善各屏间的温差。其中，电子设备可以是各种具有散热需求的电子设备，例如可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备(如眼镜、手表、手环等)、显示设备、AR设备、VR设备、AR/VR设备、电视、适配器、路由器、车载设备、车载显示器、网关、机顶盒、充电基座、散热模组、电池系统、功率器件、封装模组等具有散热需求的各种设备。特别地，本申请实施例电子设备可以是可折叠的电子设备。

本申请一实施方式中，所述电子设备包括显示屏、中框、后盖和电路板，所述中框用于承载所述显示屏和所述电路板，所述中框位于所述显示屏和所述后盖之间，所述中框与所述后盖之间，和/或所述中框和所述显示屏之间设置有所述碳材。电子设备内部碳材的设置可以为电路板和显示屏散热，使得电子设备内部发热点产生的热量能够快速地传导开，从而避免电子设备内部热点的产生，提高用户体验和电子设备的安全稳定性。

本申请实施方式中，所述电子设备还包括两相液冷散热件，所述两相液冷散热件固定连接于所述碳材表面，或者所述两相液冷散热件部分或全部嵌设于所述碳材中。将两相液冷散热件与碳材配合使用，可以进一步提高电子设备的散热性能。

本申请实施方式中，所述两相液冷散热件包括热管和/或均热板。

本申请实施方式中，所述电子设备包括可弯折的发热元件，所述碳材设置在所述发热元件上。

本申请实施例还提供一种电池系统，所述电池系统包括本申请实施例第一方面所述的碳材。采用本申请实施例的碳材作为散热材料，可实现电池系统中热量的有效均热散热，防止电池系统内热点产生，提高电池安全性和使用寿命。

本申请实施方式中，所述电池系统包括多个电池组，每一所述电池组包括多个串联的单体电池，所述多个电池组之间和/或所述多个串联的单体电池之间设置有所述碳材。采用本申请实施例的碳材设置在电池组之间或电池单体之间，可实现电池系统中热量的有效均热散热，防止电池系统内热点产生，提高电池安全性和使用寿命。

本申请实施例还提供一种半导体结构，所述半导体结构包括半导体芯片和覆盖在所述半导体芯片上的碳材，所述碳材包括本申请实施例第一方面所述的碳材。本申请实施例碳材热导性能好，热膨胀率低，有利于降低半导体芯片内部热应力。

附图说明

图1是折叠屏手机的结构示意图；

图2是本申请一实施方式中碳材100的结构示意图；

图3a和图3b是本申请一实施例中碳材100表面的扫描电子显微镜图片；

图4a是本申请实施例提供的碳材100中碳原子层以ABA堆叠方式堆叠的示意图；

图4b是本申请实施例提供的碳材100中碳原子层以旋转堆叠方式堆叠的示意图；

图5a和图5b是对碳材100进行参数表征时在碳材上选择取样点的示意图；

图6a和图6b是一实施方式中步骤S102中选择的基板的结构示意图；

图7a和图7b是本申请实施例提供的散热模组300的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的电子设备200的结构示意图；

图9a、图9b和图9c是电子设备200的分解结构示意图；

图9d、图9e是电子设备200中碳材与屏蔽罩和热界面材料的设置示意图；

图10是碳材100固定在中框202上的结构示意图；

图11是热管2051和均热板2052设置在碳材100表面的结构示意图；

图12是三屏折叠设备中碳材设置于两屏的示意图；

图13是三屏折叠设备中碳材设置于三屏的示意图；

图14是散热模组300设置在电子设备200的发热元件24上的结构示意图；

图15是碳材100同时贴附在不等高的多个发热芯片24表面的示意图；

图16a是碳材100设置在显示模组30外部的示意图；

图16b是碳材100设置在显示模组30内部的示意图；

图17是本申请另一实施例中电子设备200的结构示意图；

图18、图19、图20a、图20b和图21为本申请实施例提供的散热模组300的结构示意图；

图22是本申请实施例电池系统400中电池组410之间设置碳材100的示意图；

图23是图22的电池组410中单体电池411之间设置碳材100的示意图；

图24a是一实施方式中半导体结构500中碳材100的设置示意图；

图24b是另一实施方式中半导体结构500中碳材100的设置示意图；

图24c是另一实施方式中半导体结构500中碳材100的设置示意图；

图24d是另一实施方式中半导体结构500中碳材100的设置示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例进行说明。

随着电子设备的小型化、高集成化、多功能化的发展，电子设备的散热均热需求和可折叠需求日益提升，为更好地满足电子设备的散热均热需求和弯折可靠性需求，较好地解决可折叠电子设备的跨轴散热问题，本申请实施例提供一种兼具可耐多次弯折和高热扩散性能的高定向碳材。高定向碳材中的“高定向”是指石墨晶体结构沿某一方向取向，从而构成大多数石墨晶体沿(100)晶面排布的碳材。高定向碳材可以更好地获得各向异性的导热散热性能。

参见图2，图2是本申请一实施方式中碳材100的结构示意图。本申请实施例提供的碳材100，具有较高的断裂伸长率和面内热扩散系数，碳材100在至少一个方向上的断裂伸长率≥5％，碳材100的面内热扩散系数≥500mm²/s，兼具可耐多次弯折和高热扩散性能。

其中，断裂伸长率是试样受外力作用至拉断时，拉伸前后的伸长长度与拉伸前长度的比值，即试样断裂时的伸长长度与其初始长度之比，用百分率表示。断裂伸长率可以表征碳材的柔软性能和弹性性能。本申请实施例碳材具有较高断裂伸长率，从而具有优异的柔性、可拉伸性能，可以较好的满足可折叠电子设备的弯折需求和跨轴散热需求。本申请实施方式中，碳材100在至少一个方向上的断裂伸长率≥5％，具体可以是碳材100在一个方向上的断裂伸长率≥5％，也可以是在多个方向上的断裂伸长率≥5％，该至少一个方向可以是碳材100表面所在的平面方向上的任一方向。例如，参见图2，碳材100的表面上具有相互垂直的X方向和Y方向，碳材100可以是在X方向和/或Y方向上的断裂伸长率≥5％。其中X方向和Y方向可以是碳材100表面上任意相互垂直的两个方向。本申请一些实施例中，碳材100在至少一个方向上的断裂伸长率为5％-20％，可以直接通过≥10万次U型180°弯折的可靠性测试。弯折例如可以是在弯折半径R2mm-R5mm的情况下。具体地，碳材100的断裂伸长率例如可以是5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％。实际应用中，碳材100的XY方向表面可以开不同开孔或凹槽，或者可以是多层碳材100不等厚堆叠使Z方向为2.5D，或Z方向有曲面弯折，以满足装配或其他结构设计要求。

碳材100的面内热扩散系数，即碳材100在其长宽平面方向上热扩散系数，也即图2中碳材100在X-Y平面方向上热扩散系数，如图2所示，X-Y平面方向即平行于碳原子层的平面方向，X-Y平面方向与碳材Z方向即厚度方向垂直。热扩散系数(thermal diffusivity)是物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度。以物体受热升温的情况为例来分析，在物体受热升温的非稳态导热过程中，进入物体的热量沿途不断地被吸收而使局部温度升高，在此过程持续到物体内部各点温度全部相同为止。热扩散系数越大的材料能够更明显地使人体感受到温度很快从材料一端传到了另一端。本申请一些实施方式中，碳材100的面内热扩散系数≥550mm²/s；一些实施方式中，碳材100的面内热扩散系数≥600mm²/s；一些实施方式中，碳材100的面内热扩散系数≥650mm²/s；一些实施方式中，碳材100的面内热扩散系数≥700mm²/s；一些实施方式中，碳材100的面内热扩散系数≥750mm²/s。具体地，本申请实施例中碳材100的面内热扩散系数可以是500mm²/s、510mm²/s、520mm²/s、530mm²/s、540mm²/s、550mm²/s、560mm²/s、570mm²/s、580mm²/s、590mm²/s、600mm²/s、610mm²/s、620mm²/s、630mm²/s、640mm²/s、650mm²/s、660mm²/s、670mm²/s、680mm²/s、690mm²/s、700mm²/s、710mm²/s、720mm²/s、730mm²/s、740mm²/s、750mm²/s、760mm²/s。本申请实施例的碳材100在X-Y平面方向具有较高的热扩散系数，能够实现X-Y平面方向的快速热扩散，可以以大面积的膜或片或板的形式应用于具有高散热需求的设备中，为设备发热点均热，快速转移热点热量，防止热点失效问题的发生，提高设备的安全稳定性。

本申请实施方式中，碳材100为具有各向异性导热性能的材料，碳材100在X-Y平面方向的热扩散系数≥500mm²/s，而碳材100在Z方向即厚度方向的热扩散系数极低，例如可能在10mm²/s或以下，一些实施例中，Z方向的热扩散系数在5mm²/s或以下，面内热扩散系数可以是达到Z方向热扩散系数的100倍，这样能够更好地使热量进行面内扩散，满足手机等电子设备的热扩散需求。

本申请实施方式中，碳材的热扩散系数可参照GB/T 22588-2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》进行测量得到。具体可以是将碳材裁剪成直径为2英寸的薄膜，然后通过激光导热仪测量出相应的热扩散系数。

参见图3a和图3b，图3a和图3b是碳材100表面的扫描电子显微镜照片。本申请实施方式中，碳材100表面具有多个褶皱结构101。褶皱结构101是碳材受到力的作用时发生弯曲而显示出来的形变。多个褶皱结构101在受到一定程度的拉伸、弯曲、扭转等力的作用时，可以实现褶皱结构的展开，从而提升碳材的可弯折性能，更好地适用于可折叠电子设备。本申请实施例的碳材100整个表面(即X-Y平面方向上的表面)都具有褶皱结构101，因此碳材100整个表面的各区域都具有良好的柔性可弯折性能和散热性能，在应用于可折叠设备时，不需要通过分区域组装贴合在可折叠设备中，可以跨屏跨轴组装，便于在可折叠设备中直接组装使用。本申请实施方式中，多个褶皱结构101可以是具有毫米级长度尺寸、微米或亚微米级长度尺寸。多个褶皱结构101可以是包括多个具有毫米级长度的宏观褶皱结构，和/或多个具有微米或亚微米级长度的微观褶皱结构。其中，褶皱结构101的长度尺寸是指褶皱结构在其延伸方向上的长度。毫米级长度可以是1mm-10mm，微米级长度可以是1μm-5μm，亚微米级长度可以是在100nm以上1μm以下。褶皱结构的设计可以有效提升碳材的断裂伸长率。

本申请实施方式中，参见图3a，多个宏观褶皱结构可以是在碳材100表面至少部分或全部呈取向分布；参见图3b，多个微观褶皱结构可以是在碳材100表面呈不规则分布，即随机分布。宏观褶皱结构在碳材表面呈取向分布有利于提升碳材与该取向分布方向垂直的方向上的可拉伸性能，更好地满足可折叠终端设备的高弯折可靠性测试。微观褶皱结构在碳材表面呈不规则分布可以更好地在提升碳材各方向上的断裂伸长率。多个宏观褶皱结构呈取向分布可以是多个宏观褶皱结构的延伸方向一致或基本一致。

本申请实施方式中，碳材100表面(即X-Y方向表面)的1μm²单位面积内的褶皱结构的总长度在1μm-500μm范围内。具体可以是碳材100表面平均1μm²单位面积内的褶皱结构总长度在1μm-500μm范围内，即碳材表面的褶皱结构面密度在1μm-500μm/μm²范围内。通过调控碳材表面的褶皱结构面密度在1μm-500μm/μm²范围内，可以更好地在提升碳材断裂伸长率的同时，保持碳材高导热性能。本申请一些实施例中，碳材100表面的1μm²单位面积内的褶皱结构的总长度例如为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、8μm、10μm、12μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等。

本申请实施例通过在碳材表面设置褶皱结构，并调控碳材表面的褶皱结构密度，可以在提升碳材断裂伸长率的同时，保持碳材高导热性能，最终使碳材同时具有较高的断裂伸长率和面内热扩散系数，兼具可弯折和高热扩散性能，能够较好地满足有弯折需求的散热场景，例如作为散热材料用于折叠屏终端设备，碳材在折叠屏终端设备中应用时可以是跨两屏或多屏设置，满足折叠屏终端设备弯折可靠性测试要求，同时能够较好地实现主屏与副屏之间的热扩散传递，减小各屏温差，提升折叠机性能和用户温度体验。

本申请实施方式中，碳材100的平均表面粗糙度Ra大于100nm，即碳材100的X-Y方向表面的平均表面粗糙度Ra大于100nm。一些实施例中，碳材的平均表面粗糙度Ra为1μm-5μm。具体地，碳材100的平均表面粗糙度Ra可以是500nm、600nm、800nm、1μm、1.1μm、1.15μm、2μm、3μm、4μm、5μm等。本申请实施例碳材100具有褶皱结构，使得表面粗糙度较大，较大的表面粗糙度有利于提升碳材的断裂伸长率，从而提高耐弯折性能。

本申请实施方式中，碳材100具有高内聚力，在厚度≤5mm范围内具有原生膜特性。相关现有技术中，为了获得2mm或更大厚度的碳材，需要将多层碳材原膜采用背胶进行粘接，多层粘接劣势在于结构不稳定容易脱胶，且散热性能不如原生膜。本申请碳材在厚度≤5mm范围内具有原生膜特性，即5mm厚度范围内的碳材都不需要采用胶进行粘接，从而可以提高碳材的热扩散性能和结构稳定性，更好地适应大厚度应用需求。需要说明的是，一些实施例中，为满足装配或结构设计要求，也可能是将厚度≤5mm的多个碳材100堆叠进行不等厚粘接。碳材可以是根据需要制备成所需厚度，具体地碳材的厚度可以是0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm等。一些实施例中，如果需要厚度更厚的大于5mm的散热碳材，也可以是采用胶进行粘接。

本申请实施方式中，参见图4a和图4b，碳材100内部包括多层堆叠的碳原子层1011，多层碳原子层1011沿Z方向堆叠。碳材100中，多层碳原子层1011部分以ABA堆叠方式(Graphite carbor，G碳)堆叠，另一部分以旋转堆叠方式(Turbostratic carbon，Ts碳)堆叠，旋转堆叠即ABC堆叠。其中，图4a是本申请实施例提供的碳材100中碳原子层以ABA堆叠方式堆叠的示意图；图4b是本申请实施例提供的碳材100中碳原子层以旋转堆叠方式堆叠的示意图。对于ABA堆叠结构，其顶层A和底层A的碳原子六边形精确对齐，中间层B稍有移位。而对于ABC堆叠结构，每一碳原子层的碳原子六边形都比其下面一层稍稍向前移位。

本申请实施方式中，碳材100中，多层堆叠的碳原子层1011的层间旋转堆叠占比≥10％，即碳材100中碳原子层以旋转堆叠方式层叠的占比≥10％。旋转堆叠占比可以是将旋转堆叠方式层叠的碳原子层(Turbostratic carbon，Ts碳)的量除以旋转堆叠方式层叠的碳原子层(Ts碳)和ABA堆叠方式堆叠的碳原子层(G碳)的总量得到，即Ts碳/(Ts碳+G碳)，Ts碳、G碳的比例可以通过拉曼光谱进行分析获得，可以是采用GB/T 40069-2021《纳米技术石墨烯相关二维材料的层数测量拉曼光谱法》方法进行测量，利用测量数据获得Ts碳比例，具体可以是通过对拉曼光谱G信号峰进行洛伦兹Lorentzian拟合处理得到。

本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥12％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥15％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥16％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥18％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比为10％-19％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％；本申请一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥21％；另一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥22％；其它一些实施方式中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比≥25％。本申请一些实施例中，碳材100中碳原子层的层间旋转堆叠占比为20％-25％。由于ABA堆叠结构相对具有更窄的层间距，而较窄的层间距将导致石墨层间声子散热较为严重，因此会使得材料的热扩散系数和导热系数难以大幅度提升，本申请实施例的碳材中碳原子层的旋转堆叠占比较高，相应地ABA堆叠占比降低，碳原子层旋转堆叠占比的提升使得碳材的面内热扩散系数大幅提高。

本申请实施方式中，碳材100的单晶晶粒在晶体学上的L_c(Length in C-axis，C轴尺寸)尺寸大于或等于50nm。本申请一些实施方式中，碳材100的单晶晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于55nm；一些实施方式中，碳材100的单晶晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于60nm；一些实施方式中，碳材100的单晶晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于65nm；一些实施方式中，碳材100的单晶晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于70nm。本申请碳材的晶粒L_c尺寸较大，有利于获得较大厚度范围内具有原生膜特性的碳材，从而有利于碳材在散热均热薄膜厚度要求高的场景中的应用，避免采用多层胶进行粘合获得较大厚度的碳材，从而更好地满足未来5G更高功耗的设备的散热需求。

本申请实施方式中，碳材100的晶粒在晶体学上的L_a尺寸大于或等于10μm。一些实施例中，碳材100的晶粒在晶体学上的L_a尺寸为10μm-100μm(包括两端点值)。具体地，碳材100的晶粒在晶体学上的L_a尺寸例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm。本申请碳材具有较大的单晶L_a尺寸，将可以获得较大的声子自由程，从而提升碳材的导热性能，获得较高的热扩散系数。其中，晶粒的La尺寸可以根据GB/T 40069-2021《纳米技术石墨烯相关二维材料的层数测量拉曼光谱法》测试得到，具体可以是观察碳材表面的拉曼信号：测试波长1200cm^-1～2800cm^-1，重点关注1200cm^-1～1800cm^-1波段，信噪比大于20，可以是在碳材上取多个取样点进行测试，测试使用的激光波长可以是使用638nm激光。本申请中，碳材测试的拉曼光谱中的D峰(～1270cm^-1)，G峰(～1580cm^-1)强度的比值可以是I_D/I_G<0.01，I_D/I_G为拉曼光谱D谱带与G谱带的峰值比。

本申请实施方式中，多个碳原子层的碳原子层与碳原子层之间以范德华力结合。多层堆叠的碳原子层的层间距离可以是≥0.3nm且≤0.5nm。一些实施例中，多层堆叠的碳原子层的层间距离可以是≥0.335nm且≤0.5nm。较小的碳层间距有利于提升碳材的面内热扩散性能。

其中，晶粒的L_c尺寸以及碳原子层层间距离可以采用X射线粉末衍射法(X-rayPowder Diffraction，XRD)进行测量，观察碳材表面的信号：测试角度10°～60°，重点关注20°～30°，即(001)晶面上的信息，可以是在碳材上取多个取样点进行测试，可采用波长为

的激发波长，采用Copper(铜)K-α光源，根据峰强、峰位置、半峰宽等信息计算出碳原子层层间距离和晶粒的L_c尺寸。

上述各种参数的表征可以是如图5a和图5b所示进行取样点的选取，如图5a所示，对于形状规则的碳膜、碳片或碳板，可以是取5个取样点；如图5b所示，对于形状不规则的碳膜、碳片或碳板，可以是取7个取样点；每一取样点在相对区域几何中心，每一取样点可以是测试3次，以≥50％样品测试结果为准，不计局部缺陷和异常。

本申请实施方式中，碳材100中碳碳双键C＝C的占比≥80％。碳材100中碳碳双键C＝C的占比是指碳材100中碳原子以双键成键的原子数量占比，即摩尔占比。碳材100中碳碳双键C＝C的占比越高，则表明碳材的石墨化程度越高，石墨化程度越高越有利于获得具有更高的热扩散系数。本申请实施方式中，碳材100中碳碳双键C＝C的占比具体例如可以是80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％。其中，C＝C比例可采用X射线光电子能谱(XPS)进行表征，具体为测量C的精细谱(280eV～300eV)，得出C精细峰后进行洛伦兹Lorentzian分峰拟合，根据分峰结果的X射线强度值来判断C＝C比例。

本申请实施方式中，碳材100的断裂强度≥30MPa。断裂强度是指拉伸试件至断裂时记录的最大抗拉应力。断裂强度可以表征碳材抗拉伸能力。本申请实施例碳材具有较高的断裂强度，表明其柔软性能和弹性性能较好，抗拉伸性好，可以较好地应用于有弯折需求的应用场景中。本申请一些实施方式中，碳材100的断裂强度≥40MPa。本申请一些实施例中，碳材100的断裂强度为40MPa-80MPa。具体地，例如可以是40MPa、50MPa、51MPa、60MPa、65MPa、70MPa、75MPa、80MPa。

本申请中，碳材的断裂伸长率和断裂强度可以参照GB 13022-91(塑料-薄膜拉伸性能试验方法)通过力学试验机测试获得，具体可以是将碳材裁剪成标准样品，通过力学试验机获取应力-应变曲线，通过分析应力-应变曲线获知断裂伸长率及断裂强度。

本申请实施例的碳材100可以是混合晶体结构，即同时包含单晶体和多晶体。

本申请实施方式中，碳材100可以是薄膜状、片状或板状等，即碳材100可以是碳膜、碳片或碳板。

本申请实施方式中，碳材100可以是由氧化石墨经石墨化得到。氧化石墨原材易得，利于工业化生产。

本申请实施方式中，在采用氧化石墨制备碳材的过程中，在氧化石墨溶液中加入挥发性溶剂，通过蒸发挥发性溶剂形成褶皱结构；和/或将石墨化前的碳材前驱体沿第一轴向和/或第二轴向反复挤压和拉伸，形成褶皱结构，第一轴向和第二轴向相互垂直，第一轴向和第二轴向可以是分别为图2所示的X方向和Y方向。本申请实施例通过采用挥发性溶剂快速蒸发干燥的方法有利于使碳材表面形成多个随机分布的微观褶皱结构，该褶皱形成方法绿色环保，快速简便，不需要使用有毒有害的还原剂、发泡剂等，通过调控挥发性溶剂种类、蒸发过程的升温速度等即可对形成的褶皱结构面密度进行调控，工艺过程具有优异的落地性。本申请实施例通过对石墨化前的碳材前驱体沿第一轴向和/或第二轴向反复挤压和拉伸，形成多个取向分布的收缩的宏观褶皱结构，该褶皱形成方法易于控制，可以赋予碳材高柔性。

本申请实施例提供的碳材，兼具高热扩散系数和良好的可弯折性能，而且在较大厚度范围内具有原生膜特性，可以应用于各种散热需求的场景中，能够更好地适应5G、6G高功耗设备的发展需求，更好地满足可折叠设备的散热需求。例如本申请实施例的碳材可以是应用于电路板上发热功率器件或者模组的均热散热，也可以是应用于半导体芯片或者封装模组内部发热芯片的均热散热等，尤其是可以用于可折叠电子设备中。在可折叠电子设备折弯过程中，设备的各层材料被拉伸或者压缩，各层材料在不同切面的切面长度发生变化，采用本申请实施例的柔性可弯折的碳材可以直接吸收这种变化，从而通过简单、低成本的方式实现可折叠电子设备的散热均温。本申请实施例的碳材还具有量产可行性，工艺流程具有优异的落地性，能够实现扩大化生产制备。另外，本申请碳材质轻，相对于传统铝板、铜板散热，采用本申请碳材进行散热能够有效减轻设备重量，具有较好的减重收益。本申请碳材既可以单独以纯膜或板的形式使用，也可以加工成片材、膜材或者特定的三维形状进行使用；或者通过背胶、刷胶等形式，增加其粘附力，以贴敷的形式进行使用，也可与金属结构件焊接组成散热结构模组等。

本申请实施例还提供一种上述碳材的制备方法，包括以下步骤：

S101、将大片径氧化石墨分散在溶剂中，并加入催化剂和挥发性溶剂，得到氧化石墨浆料；

S102、将氧化石墨浆料涂覆在基板上烘干后，进行初步热还原，得到碳材前驱体，将碳材前驱体采用双轴拉伸设备进行褶皱化处理，再进行高温还原石墨化得到碳材。

上述步骤S101中，溶剂可以是水。催化剂可以是过渡金属催化剂、硼系催化剂中的一种或多种。过渡金属催化剂具体可以是过渡金属或过渡金属化合物。过渡金属催化剂可以是铁钴镍系催化剂，铁钴镍系催化剂具体可以是包括氧化铁纳米颗粒、二茂铁、四苯基铁卟啉、草酸亚铁、乙酰丙酮铁、氯化铁、氯化镍、氧化镍、氯化钴、氧化钴中的一种或多种。硼系催化剂可以是包括三苯基硼、硼酸三甲酯、联硼酸新戊二醇酯中的一种或多种。过渡金属催化剂的使用含量以过渡金属原子含量为基准，过渡金属原子的含量占氧化石墨含量的0.005％-0.1％,更优地过渡金属原子的含量占氧化石墨含量的0.05％-0.08％。硼系催化剂的使用含量以硼原子含量为基准，硼原子的含量占氧化石墨含量的0.05％-1％,更优地硼原子的含量占氧化石墨含量的0.1％-0.5％。催化剂的加入能够提高碳材的石墨化修复程度，并能够促使碳材形成更多的旋转堆叠模态，从而显著提高氧化石墨在后续高温处理过程中的晶体尺寸，获得更高的热扩散系数和导热系数的高定向碳材。因此，采用本申请催化剂石墨化方案，可以提高碳材中碳原子层的旋转堆叠占比，提升碳材热扩散系数。

上述步骤S101中，挥发性溶剂为易挥发性溶剂，具体例如可以是乙醇、丙酮、乙酸乙酯、二丙酮醇、甲醇、二氯甲烷、三氯乙烯、二硫化碳等，从绿色环保的角度考量，可优选乙醇。挥发性溶剂的添加量可以是1％-70％,一些实施例中，挥发性溶剂的添加量可以是15％-60％。一些实施例中，挥发性溶剂的添加量例如可以是1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、45％、50％、60％、70％。上述挥发性溶剂的添加量是指挥发性溶剂在整个氧化石墨浆料中的质量占比。挥发性溶剂的沸点较低，能够实现快速挥发，在后续步骤S102的涂覆、烘干、以及初步热还原的过程中，挥发性溶剂可起到快速蒸发的效果，在溶液高表面张力的作用下，使得氧化石墨薄膜快速收缩，从而产生多个微观褶皱结构。挥发性溶剂加入量的增大，有利于褶皱结构的形成。适合的挥发性溶剂的含量可以保证氧化石墨的良好分散，同时使碳材获得较多的褶皱结构。

本申请实施方式中，为了更好、更多地形成褶皱结构，可以通过增强对流、升温增强挥发等方式提升氧化石墨浆料中水分及挥发性溶剂的蒸发速度，从而使氧化石墨薄膜产生更多的微观褶皱结构。上述增强对流的方式可以是步骤102中的基板使用多孔衬底基板，多孔衬底基板例如可以是如图6a所示的编织聚合物衬底、如图6b所示的均匀布孔聚合物衬底等。上述升温增强挥发方式可以是升高烘干工艺中的升温速率及烘烤温度；一些实施例中，烘干过程的升温速率可以是大于或等于10℃/min，烘烤温度可以是120℃-400℃。一些实施例中，升温速率具体可以是10℃/min、11℃/min、12℃/min、13℃/min、14℃/min、15℃/min、16℃/min、17℃/min、18℃/min、19℃/min、20℃/min。一些实施例中，烘烤温度可以是120℃、150℃、200℃、250℃等。本申请实施方式中，烘干过程中升温速率的提升，可以加快挥发性溶剂的挥发速度，从而可使得氧化石墨薄膜快速收缩得更厉害，更有利于微观褶皱结构的形成，提高最终所得碳材的褶皱结构面密度，也能够相应提高碳材的断裂伸长率。本申请实施例通过采用挥发性溶剂快速蒸发干燥的方法有利于使碳材表面形成多个随机分布的微观褶皱结构，该褶皱形成方法绿色环保，快速简便，不需要使用有毒有害的还原剂、发泡剂等，通过调控挥发性溶剂种类、蒸发过程的升温速度等即可对形成的褶皱结构面密度进行调控，工艺过程易于控制，易于实现扩大化生产。

本申请实施方式中，将烘干后的氧化石墨薄膜进行初步热还原可以是在惰性气氛下进行，惰性气氛例如可以是氮气气氛。初步热还原过程的热还原温度可以是300℃-800℃，升温速率可以是1℃-5℃/min，保温时间可以是1h-5h。一些实施例中，热还原温度例如可以是300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃、700℃、800℃等。一些实施例中，热还原升温速率例如可以是1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min等。一些实施例中，保温时间可以是1h、2h、3h、4h、5h等。

本申请一些实施方式中，氧化石墨浆料中还可以加入碳源修复剂，碳源修复剂可以是包括水溶性较好的有机分子如芘丁酸、抗坏血酸等。碳源修复剂的加入可以更好地提高碳原子层的旋转堆叠占比，有利于获得具有更高的热扩散系数的碳材。

本申请实施方式中，大片径氧化石墨可以是通过如下的低温工艺制备得到：

将石墨原材料加入浓硫酸、或高锰酸钾、或同时加入浓硫酸和高锰酸钾，使石墨在20℃-40℃之间氧化剥离反应一段时间，得到大片径氧化石墨溶液。

本申请实施例采用浓硫酸和高锰酸钾作为氧化剂，在低温下氧化剥离可以得到大片径单层氧化石墨。上述温制备大片径氧化石墨策略涉及的氧化剂为浓硫酸和高猛酸钾，其中浓硫酸中的硫酸质量分数可以是在85％-98.3％之间，一些实施例中，硫酸的质量分数可以是在95％以上。浓硫酸的浓度越高，越有利于获得单层的氧化石墨。高锰酸钾的浓度可以是0.01g/mL-0.2g/mL，一些实施例中，高锰酸钾的浓度可以是0.05g/mL-0.15g/mL。

一些实施例中，可以是将石墨原材料的全程氧化剥离温度控制在25℃-35℃。具体地，一些实施例中，可以是将氧化石墨的全程氧化剥离温度控制在30℃左右。一些实施例中，氧化剥离温度具体可以是25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、32℃、34℃、35℃。上述氧化剥离的反应时间可以是2-5小时，一些实施例中，反应时间可以是控制在3-4小时，以剥离出大尺寸单层氧化石墨。

上述石墨原材料可以是但不限于是可膨胀石墨、鳞片石墨、高纯石墨、kish石墨中的一种或多种，优选为可膨胀石墨。石墨原材料的片径尺寸可以是100μm-300μm，一些实施例中，石墨原材料的片径尺寸可以是150μm-200μm。

上述制备得到的大片径氧化石墨溶液中，大片径氧化石墨的表面氧含量经X射线光电子能谱鉴定，其氧含量占比少于或等于40％且大于或等于15％，其平均粒径尺寸大于或等于100μm。一些实施例中，大片径氧化石墨的平均粒径尺寸大于或等于100μm且小于或等于150μm。大片径氧化石墨溶液中所含氧化石墨的单层率大于95％，获得高单层率的氧化石墨片的手段不限于离心筛分、过滤筛分等手段。

本申请实施例通过采用上述低温氧化工艺可以将氧化石墨的氧含量从常规的50％以上，降低至40％以下，同时保持较大尺寸的单层氧化石墨片径，不同于现有常规方案中仅能制备20-30μm的氧化石墨片材，本申请实施例采用浓硫酸和高锰酸钾作为氧化剂的低温氧化工艺可制备得到片径大于100μm的单层氧化石墨。

上述步骤S102中，将碳材前驱体采用双轴拉伸设备进行褶皱化处理，具体地对碳材前驱体沿相互垂直的第一轴向和/或第二轴向反复挤压和拉伸(即反复地挤压-释放压力-挤压)，形成多个取向分布的收缩的宏观褶皱结构，从而进一步地提高碳材的断裂伸长率。双轴拉伸(biaxial drawing)设备是在制造薄膜或板材时可沿着薄膜和板材平面的纵横两个方向进行拉伸和挤压的设备。两个轴向上的拉伸和挤压操作可以是同时进行的，也可以是先后进行的。本申请中，可以是根据需要，只沿第一轴向进行褶皱化处理，或只沿第二轴向进行褶皱化处理，或者沿第一轴向和第二轴向均进行褶皱化处理。采用双轴拉伸设备进行褶皱化处理的褶皱形成方法易于控制，可以赋予碳材高柔性。具体地，褶皱化处理过程可以是：将碳材前驱体置于双轴拉伸特种设备中进行夹持，并施以往复的挤压作用，每次挤压幅度为10％-80％的应变，即挤压压缩的长度相对原始长度的占比为10％-80％，具体例如为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％。

上述步骤S102中，高温还原石墨化的温度可以是2200℃-3500℃，具体例如可以是2200℃、2500℃、2900℃、3000℃、3100℃、3200℃、3300℃、3500℃。高温还原石墨化过程的升温速率可以是5℃-20℃/min。高温还原石墨化过程的保温时间可以是2h-6h。高温还原石墨化后，可以通过自然冷却至室温，最后再进行高温高压处理，压延后得到最终的碳材薄膜成品。

本申请实施方式中，可以是根据需要选择通过挥发性溶剂快速挥发的方式形成褶皱结构，或者选择通过双轴拉伸设备进行褶皱化处理的方式形成褶皱结构，还可以是同时选择通过挥发性溶剂快速挥发的方式形成褶皱结构，以及通过双轴拉伸设备进行褶皱化处理的方式形成褶皱结构。

参见图7a和图7b，本申请一实施例提供一种散热模组300，散热模组300包括本申请实施例上述的碳材100。该散热模组300可以是单独包括上述碳材100，也可以是包括碳材100和其他散热材料或元件(如均热板、散热膜等)，即碳材100与其他散热材料或元件组合使用。一些实施例中，散热模组300还包括贴合设置在碳材100表面或嵌设在碳材100中的散热元件，散热元件可以是热管、均热板、散热膜、导热胶等。如图7a所示，本申请一些实施例中，散热模组300包括碳材100，以及设置于碳材100表面的胶层21和设置在胶层21表面的保护层22，保护层22可为PI(聚酰亚胺)膜，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜等，可以是单面备胶或双面备胶。如图7b所示，本申请一些实施例中，散热模组300包括碳材100和设置于碳材100表面的均热板23，碳材100有保护层，与均热板23间局部或全部胶粘合，图7b中未细化示出。本申请实施例的散热模组300可以用于为发热元件散热，将发热元件产生的热量及时传递至散热端，实现导热和均热。该散热模组300可以用于各种有散热需求的电子设备中，例如可以是用于电池、手机、平板电脑、笔记本电脑、手表、手环等电子设备中，尤其是可以用于可折叠的电子设备中，同时满足耐弯折和散热的需求。具体地，散热模组300可以是设置在电路板与电路板之间，电路板与电子设备壳体之间，功率器件与电子设备壳体之间，或者粘贴在芯片上等。

参见图8，本申请实施例还提供一种电子设备200，电子设备200包括本申请实施例上述的碳材100，碳材100可以作为散热件为电子设备200散热。一些实施例中，电子设备200可以是包括上述散热模组300。将本申请实施例提供的碳材100应用于电子设备200中进行散热均热，碳材散热均热性能好，且碳材在电子设备中的设置位置、形状尺寸设计灵活，易组装固定，能够较好地满足电子设备散热需求。同时本申请实施例提供的碳材100还具有优异的柔性可弯折性能，可以直接整面进行贴附，可满足可折叠电子设备跨轴散热需求，有效为各屏之间均热，改善各屏间的温差。其中，电子设备200可以是各种具有散热需求的电子设备，例如可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备(如眼镜、手表、手环等)、显示设备、AR设备、VR设备、AR/VR设备、电视、适配器、路由器、车载设备、车载显示器、网关、机顶盒、充电基座、散热模组、电池系统、功率器件、封装模组等具有散热需求的各种设备。特别地，本申请实施例电子设备可以是可折叠的电子设备。

下面以电子设备200是手机为例具体介绍本申请实施例碳材100在电子设备200中的应用。

参见图9a、图9b和图9c，图9a、图9b和图9c为电子设备200的分解结构示意图，电子设备200包括显示屏201、中框202、电路板203和后盖204，中框202位于显示屏201和后盖204之间，中框202用于承载显示屏201和电路板203。碳材100可以是如图9a所示位于中框202与后盖204之间，也可以是如图9b所示位于中框202与显示屏201之间，还可以是如图9c所示同时设置在中框202与后盖204之间，以及中框202与显示屏201之间。电路板203上设有发热部件，如芯片，可以是电路板203的一侧或两侧设有发热部件。电子设备200内部碳材100的设置可以为电路板203和显示屏201散热，使得电子设备200内部发热点产生的热量能够快速地传导开，从而避免电子设备200内部热点的产生，提高用户体验和电子设备200的安全稳定性。其中同一碳膜、碳片或碳板可以是等厚或不等厚，碳材形状和尺寸不限，可以是方形等规则形状，也可以是不规则的异形形状。设置在中框202与后盖204之间的碳材，与中框202与显示屏201之间的碳材的形状、厚度和X-Y平面尺寸可以是相同，也可以是不同。

其中，碳材100可以是固定设置在中框202或后盖204上，具体可以是通过胶黏连接或者焊接连接在中框202或后盖204上，也可以包胶注塑在后盖204内，其中包胶注塑有利于降低电子设备整机厚度。碳材100也可以部分贴附在电路板203或其附属结构件，如屏蔽盖，金属注塑件上；另外部分敷设于电池和无线充电或NFC间线圈间。

一些实施例中，参见图9d和图9e，碳材100与电路板203上的发热部件2031之间还可以设置有屏蔽罩2032和/或热界面材料2033，屏蔽罩和热界面材料的设置可以更好地促进热量扩散传导。如图9d所示，电路板203的一侧设有发热部件，碳材100与电路板203上的发热部件2031之间同时设置有屏蔽罩2032和热界面材料2033。如图9e所示，电路板203的两侧均设有发热部件，两侧的发热部件2031上都设置有碳材100，其中一侧的碳材100与发热部件2031之间设置有热界面材料2033，另一侧的碳材100与发热部件2031之间同时设置有屏蔽罩2032和热界面材料2033。

参见图10，图10为碳材100固定在中框202上的结构示意图。本申请实施方式中，碳材100的具体尺寸形状、以及在中框202和后盖204上的设置位置等可以根据电子设备的具体型号，以及实际散热需要等进行设计，本申请不作特殊限定。一些实施例中，碳材100可以是覆盖电路板203上的主要发热部件，也可以是覆盖电路板203上的每个发热部件，也可以是覆盖整个电路板203。一些实施例中，碳材100在中框202上的正投影与电路板203在中框202上的正投影部分或完全重叠。一些实施例中，碳材100也可以是设置在电路板203周围，即碳材100在中框202上的正投影与电路板203在中框202上的正投影不重叠。本申请实施例碳材X-Y平面方向具有高热扩散系数，因此能够使热流在X-Y平面方向实现快速传导，实现电子设备内部的快速散热，避免热点的产生。

参见图9c和图11，本申请一些实施方式中，为了进一步提高电子设备200的散热性能，电子设备200还包括两相液冷散热件205，两相液冷散热件205可以是包括热管2051和/或均热板2052或环路热管等，即电子设备200中可以是进一步设置热管2051，也可以是设置均热板2052，还可以是同时设置热管2051和均热板2052，具体可以根据实际需求设置。两相液冷散热件固定于碳材表面，或者两相液冷散热件部分或全部嵌设于碳材中。碳材可以是2D，也可以是2.5D形态结构。

本申请一些实施方式中，参见图11，热管2051和均热板2052固定于碳材100表面，即热管2051和均热板2052与碳材100相贴合接触，具体可以是将热管2051和均热板2052通过胶黏连接或者焊接连接与碳材100实现固定连接。

本申请一些实施方式中，参见图9c，两相液冷散热件205部分或全部嵌设于碳材100中。具体地可以是碳材100开设有凹槽，两相液冷散热件205部分或全部嵌于该凹槽中。

本申请实施方式中，采用碳材100与热管2051和/或均热板2052结合使用，可以获得非常好的热扩散性能，其热扩散效果远优于传统热管或均热板。

参见图12和图13，本申请一些实施例中，电子设备200也可以是折叠设备，其中，图12是三屏折叠设备中碳材设置于两屏的示意图，图13是三屏折叠设备中碳材设置于三屏的示意图。参见图12，电子设备200包括第一显示区域2011、和第二显示区域2012和第三显示区域2013，第一折叠部211和第二折叠部212，碳材100跨轴即跨越第一折叠部211设置同时覆盖第一显示区域2011、第二显示区域2012和第一折叠部211。参见图13，电子设备200包括第一显示区域2011、第二显示区域2012和第三显示区域2013，第一折叠部211和第二折叠部212，碳材100跨轴即跨越第一折叠部211和第二折叠部212设置，同时覆盖第一显示区域2011、第一折叠部211、第二显示区域2012、第二折叠部212和第三显示区域2013。本申请实施例的碳材100具有良好的可弯折性能和热扩散性能，可以跨轴设置满足双屏折叠设备、三屏折叠设备等多屏折叠设备的弯折和散热需求。为提高折叠设备散热性能，参见图12和图13，折叠设备中也可以进一步在碳材100上设置热管2051和/或均热板2052。

本申请实施方式中，碳材100可以是规则的形状，也可以是根据设备内部结构、显示要求等设计为不规则形状。碳材100的尺寸也可以是根据实际需要进行设计。

参见图14，本申请一些实施例中，电子设备200包括发热元件24和设置在发热元件24上的散热模组300。发热元件24可以是显示模组、发热芯片等，发热元件24也可以是可折叠的发热元件，例如可折叠显示模组、可折叠发热芯片等。

本申请一些实施例中，碳材100具有优异的可弯折性能，可以同时贴附在不等高的多个发热元件24的表面。参见图15，图15是碳材100同时贴附在不等高的多个发热芯片表面的示意图，从图15可知，碳材100同时贴附在不等高的多个发热芯片24的表面，碳材100形成弯折结构。工程上，发热芯片24与碳材100间，可以布置敷设呈图9d,图9e所示的屏蔽罩2032和热界面材料2033。为提升散热效果，屏蔽罩2032可开通孔，发热芯片24与碳材100间可以只有一片热界面材料2033。

本申请实施例中，碳材100在电子设备200中的设置位置不限，例如，当碳材100用于为电子设备200中的显示模组散热时，参见图16a，一些实施例中，碳材100可以是设置在显示模组30的外部，具体可以是设置在显示模组30的外壳上，如竹书外；参见图16b，一些实施例中，碳材100可以是设置在显示模组30的内部，具体可以是设置在显示模组30的柔性显示层31上、下或中间。

参见图17，一些实施例中，电子设备200为手表。手表包括表盘25和与表盘25两端连接的表带26，表盘25中设置有发热芯片24，发热芯片24周围设置有碳材100，碳材100用于将发热芯片24产生的热量由表盘25及时传递至表带26，从而实现手表的散热。

参见图18至图21，本申请一实施例还提供一种散热模组300，散热模组300包括本申请实施例上述的碳材100。本申请实施方式中，散热模组300包括基座301和设置在基座301上的散热翅片302，一些实施方式中，散热翅片302采用上述碳材100；一些实施例中，基座301采用上述碳材100；一些实施例中，基座301和散热翅片302均采用碳材100。散热翅片302可以是通过焊接或者胶粘或者是过盈配合等方式固定于基座301上。

本申请实施方式中，散热模组300还包括与基座301和散热翅片302相连接的热管2051和/或均热板2052。本申请一些实施方式中，散热模组300为热管散热模组；一些实施方式中，散热模组300为均热板散热模组。参见图19，图19为本申请一实施例中热管散热模组的结构示意图，热管2051与基座301和散热翅片302相连接。参见图20a和图20b，图20a和图20b为本申请另一实施例中热管散热模组的结构示意图。其中，图20a为俯视结构示意图，图20b为剖面结构示意图。图20a和图20b所示的热管散热模组中，散热翅片302为弧形散热翅片，弧形散热翅片采用本申请实施例碳材100，由于本申请碳材100具有良好的可弯折性能，因而可以满足弧形设置需求，和铜铝散热器相比，具有更高导热和轻密度特点。设于弧形散热翅片302中间的热管2051可以加强基座301至散热翅片302之间的传热。参见图21，图21为本申请一实施例中均热板散热模组的结构示意图，均热板2052与基座301相连接设置。均热板散热模组可以用于服务器类等大型发热设备中，实现高效均热散热效果，维持设备的正常使用。

参见图22，本申请实施例还提供一种电池系统400，电池系统400包括多个电池组410，每一电池组410包括多个串联的单体电池411，电池组410下方设置有散热装置。一些实施例中，散热装置可以包括均热板412和冷却液管道413。本申请一些实施例中，参见图22，多个电池组410之间，即电池组410与电池组410之间设置碳材100进行散热；本申请一些实施例中，参见图23，多个串联的单体电池411之间，即单体电池411与单体电池411之间设置碳材100进行散热。一些实施例中，也可以是同时在电池组410之间和单体电池411之间设置碳材100进行散热。实际应用中，碳材100可与绝缘膜、绝缘胶、隔热材料、储热材料、灭火材料等组合使用，这些材料可以是敷设在碳材上。需要特别指出的是，本申请碳材具有≥3000℃的熔点，具有非常优异的耐高温均热特性。本申请碳材具有可弯折性还可以吸收电池膨胀或冲击变形，提高电池安全稳定性。

本申请实施例碳材X-Y平面方向热扩散系数远高于Z向热扩散系数，为各向异性材料。当电池系统400中有电池单体发生热失控时，热量传递给碳材后，碳材X-Y平面方向高热扩散性能可快速将热传递给散热装置；而Z向热扩散性能低，从而可以较好地阻隔热量传给周边的其他正常电池单体，避免热失控发生链式反应。因此采用本申请实施例的碳材设置在电池组之间或电池单体之间，利用其各向异性，可有效控制热流方向，避免电池单体间热失控蔓延扩散，热量高效传递至电池单体的上下方的散热装置。

本申请实施例方式中，为了更有效地抑制电池热失控的蔓延，可以是在碳材100一侧或两侧表面设置热缓冲层，热缓冲层可以起到隔热作用，一旦电池系统400中有电池单体发生热失控，可以更好地防止热失控由热失控电池单体蔓延至其他电池单体。热缓冲层可以是包括碳酸镁、耐热树脂材料、隔热凝胶材料中的一种或多种。一些实施例中，热缓冲层为碳酸镁和耐热树脂材料的复合层；一些实施例中，热缓冲层为碳酸镁、耐热树脂材料和隔热凝胶材料的复合层。

本申请实施例的电池系统400可以是应用于各种类型电动车辆(如电动汽车、电动自行车等)、工业电力系统(如光伏储能系统)等领域。

参见图24a、图24b、图24c、图24d，本申请实施例还提供一种半导体结构500，半导体结构500包括半导体芯片501和本申请实施例上述的碳材100，碳材100覆盖在半导体芯片501上，碳材100用于为半导体芯片501均热散热。碳材100可以是部分或完全覆盖半导体芯片501。本申请实施例碳材热导性能好，热膨胀率低，有利于降低半导体芯片501内部热应力，且碳材质量轻，有利于半导体结构的减重。本申请中，半导体结构500的具体结构设计不限，可以是各种结构形式，例如可以是图24a、图24b、图24c、图24d所示的结构形式。参见图24a，碳材100可以是直接替代现有金属导热片，通过热界面层502与半导体芯片501结合；参见图24b，碳材100也可以是附在金属导热片503上，再通过热界面层502与半导体芯片501结合，即碳材100与金属导热片503复合使用。热界面层502可以是有机或无机材质。半导体芯片501可以是各种功能性芯片，半导体结构中也可以包括多个半导体芯片501。半导体结构500具体可以是一种半导体封装结构，半导体结构500还包括用于封装半导体芯片501的封装体504，如图24a、图24b所示，碳材100部分封装在封装体504内部，碳材100一侧表面裸露在封装体504外。封装体504可以是各种可以用于半导体封装的材质，例如封装体504可以是塑封体。参见图24c，一些实施例中，半导体结构500还包括通过热界面层502与碳材100层叠的金属层505、与金属层505层叠的接地层506、以及用于与电路板连接的焊球507，用于保护半导体芯片501的密封层508。参见图24d，一些实施例中，半导体封装结构还包括电路板509、焊球5071、焊球5072，半导体芯片501通过焊球5071与电路板509连接，焊球5072用于与其他的电路板连接。

本申请中，“-”表示范围，包括两端端点值。例如，40MPa-80MPa包括端点值40MPa和80MPa，以及两个端点值之间的任意值。

下面分多个实施例对本申请实施例进行进一步的说明。

实施例1至实施例5

采用低温工艺制备大片径氧化石墨：称取一定质量的片径约为200nm的鳞片石墨，逐步滴加0.1g/mL高锰酸钾及95wt％浓硫酸，控制氧化反应温度为25℃，反应时间为4h。将氧化反应后的氧化石墨进行洗涤后得到大片径氧化石墨溶液，所得大片径氧化石墨D₅₀尺寸在100μm以上，氧化石墨氧含量约为35％。其中，氧化石墨D₅₀尺寸采用激光粒度仪进行检测获得，氧化石墨氧含量可以是通过EA(Elemental Analyzer，元素分析)获得。

将低温工艺制备得到的氧化石墨分散在水和乙醇的溶液中，并加入催化剂，制备成2％固含量的氧化石墨浆料，乙醇在氧化石墨浆料中的质量占比参见表1；将上述所得氧化石墨浆料刮涂在纤维编织的聚合物基板上，刮涂成型。然后把氧化石墨薄膜在120℃下进行烘烤，烘烤过程中的升温速率如表1所示，烘烤完成后，在惰性气氛下进行初步热还原，还原温度为350℃,升温速率为5℃/min,保温时间为4h。在初步热还原后，在3100℃下进行高温石墨化，得到多孔高定向碳膜后，在70MPa压力下，进行高温高压压延成膜，最后得到碳膜成品。

对所得碳膜成品的褶皱面密度、断裂伸长率和热扩散系数进行表征，其结果如表1所示。其中褶皱面密度可以通过扫描电子显微镜进行表征获得。

表1工艺参数及碳材表征结果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						乙醇质量占比	30％	50％	60％	50％	50％
升温速率℃/min	10	10	10	15	20
						<![CDATA[褶皱面密度μm/μm<sup>2</sup>]]>	153	235	284	294	357
断裂伸长率％	5.8％	6.6％	7.5％	7.6％	8.4％
						<![CDATA[面内热扩散系数mm<sup>2</sup>/s]]>	752	733	721	689	657

由表1的结果可知，乙醇加入量的增加有利于通过其快速蒸发使碳材获得更大的褶皱面密度，从而相应获得更大的断裂伸长率。烘烤过程中，升温速率的提升有利于褶皱结构的形成，使碳材获得更大的褶皱面密度，从而相应获得更大的断裂伸长率。另外，本申请实施例通过将褶皱面密度调控在适合的范围，可以更好地在提升碳材断裂伸长率的同时，使碳材具有较高的热扩散系数，兼具耐弯折和高导热性能。

实施例6至实施例10

将实施例1中低温工艺制备得到的氧化石墨分散在水和乙醇的溶液中，其中乙醇的质量占比为50％，并加入催化剂，制备成2％固含量的氧化石墨浆料；将上述氧化石墨浆料刮涂在纤维编织的聚合物基板上，刮涂成型。然后把氧化石墨薄膜在120℃下进行烘烤，升温速率为15℃/min，烘烤完成后，在惰性气氛下进行初步热还原，还原温度为350℃,升温速率为5℃/min,保温时间为4h，得到预制碳膜即碳材前驱体。将预制碳膜置于双轴拉伸设备上进行褶皱化处理，褶皱化处理过程中挤压操作的应变如表2所示。褶皱化处理后将薄膜在3100℃下进行高温石墨化，得到多孔可弯折高定向碳膜后，在70MPa压力下，进行高温高压压延成膜，最后得到碳膜成品。

对所得碳膜成品的褶皱面密度、断裂伸长率和热扩散系数进行表征，其结果如表2所示。

表2工艺参数及碳材表征结果

由表2的结果可知，褶皱化处理过程中挤压操作的应变的提升，有利于使碳材获得更大的褶皱面密度，从而相应获得更大的断裂伸长率。另外，本申请实施例通过将褶皱面密度调控在适合的范围，可以更好地在提升碳材断裂伸长率的同时，使碳材具有较高的热扩散系数。

Claims (24)

1.一种碳材，其特征在于，所述碳材在至少一个方向上的断裂伸长率≥5％，所述碳材的面内热扩散系数≥500mm²/s，所述碳材表面具有多个褶皱结构，所述多个褶皱结构包括多个毫米级长度的宏观褶皱结构和多个微米或亚微米级长度的微观褶皱结构，所述碳材表面的1μm²单位面积内的褶皱结构的总长度在1μm-500μm范围内，所述多个宏观褶皱结构在所述碳材表面部分或全部呈取向分布；所述多个微观褶皱结构在所述碳材表面呈不规则分布；所述碳材包括多层堆叠的碳原子层，所述碳材中，所述多层堆叠的碳原子层的层间旋转堆叠占比≥10％。

2.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材的平均表面粗糙度Ra大于100nm。

3.根据权利要求1-2任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材在厚度≤5mm范围内具有原生膜特性。

4.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材的晶粒在晶体学上的L_c尺寸大于或等于50nm。

5.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材的晶粒在晶体学上的L_a尺寸大于或等于10μm。

6.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材中C＝C的占比≥80％。

7.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述多层堆叠的碳原子层的层间距离≥0.3nm且≤0.5nm。

8.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材的断裂强度≥30MPa。

9.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材包括碳膜、碳片或碳板。

10.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材由氧化石墨经石墨化得到。

11.根据权利要求10所述的碳材，其特征在于，在采用所述氧化石墨制备碳材的过程中，在氧化石墨溶液中加入挥发性溶剂，通过蒸发所述挥发性溶剂形成所述褶皱结构；和/或将石墨化前的碳材前驱体沿第一轴向和/或第二轴向反复挤压和拉伸，形成所述褶皱结构，所述第一轴向和所述第二轴向相互垂直。

12.一种散热模组，其特征在于，所述散热模组包括权利要求1-11任一项所述的碳材。

13.根据权利要求12所述的散热模组，其特征在于，所述散热模组还包括贴合设置在所述碳材表面或嵌设在所述碳材中的散热元件。

14.根据权利要求12所述的散热模组，其特征在于，所述散热模组包括基座和设置在所述基座上的散热翅片，所述基座和/或所述散热翅片采用所述碳材。

15.根据权利要求14所述的散热模组，其特征在于，所述散热模组还包括与所述基座和所述散热翅片相连接的热管和/或均热板。

16.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求1-11任一项所述的碳材或权利要求12-15任一项所述的散热模组。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括显示屏、中框、后盖和电路板，所述中框用于承载所述显示屏和所述电路板，所述中框位于所述显示屏和所述后盖之间，所述中框与所述后盖之间，和/或所述中框和所述显示屏之间设置有所述碳材。

18.根据权利要求16或17所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括两相液冷散热件，所述两相液冷散热件固定连接于所述碳材表面，或者所述两相液冷散热件部分或全部嵌设于所述碳材中。

19.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述两相液冷散热件包括热管和/或均热板。

20.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括可弯折的发热元件，所述碳材设置在所述发热元件上。

21.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为可折叠电子设备，所述碳材在所述可折叠电子设备中跨两屏或多屏设置。

22.一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括权利要求1-11任一项所述的碳材。

23.根据权利要求22所述的电池系统，其特征在于，所述电池系统包括多个电池组，每一所述电池组包括多个串联的单体电池，所述多个电池组之间和/或所述多个串联的单体电池之间设置有所述碳材。

24.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括半导体芯片和覆盖在所述半导体芯片上的碳材，所述碳材包括权利要求1-11任一项所述的碳材。

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