5G通信時代，智能手機等現(xiàn)代先進多功能電子設備正朝著小型化、高集成化、高頻化的方向發(fā)展。微處理器和射頻芯片等主要電子元件在運行過程中不可避免地會在有限的空間內產生大量的熱量，并受到嚴重的電磁干擾(EMI)影響。過熱和不可避免的電磁波(EMW)會導致周圍元件之間的干擾，危及器件的可靠性和壽命，并對人類健康造成嚴重影響。目前的商業(yè)應用通常采用由人造石墨片的導熱層和金屬箔的EMI屏蔽層組成的多層設計來散熱，將EMI效應降至[敏感詞]。遺憾的是，這些復雜的多層結構很難滿足高效、超薄、輕便和廉價的要求。因此，開發(fā)同時具有高導熱系數和優(yōu)異電磁屏蔽性能的雙功能材料具有重要意義。下一代便攜式電子設備的快速發(fā)展迫切需要具有高效散熱和優(yōu)異電磁干擾屏蔽性能的雙功能材料。

圖1.GCFs制備示意圖。a)GCFs的四步制備工藝。b） 凝膠化和預碳酸化過程中的反應過程。首先，丙烯酰胺在高濃度葡萄糖溶液中發(fā)生交聯(lián)，形成葡萄糖-PAM水凝膠。然后，在預碳化過程中，葡萄糖分子之間發(fā)生焦糖作用。

圖2.GCFs的形態(tài)特征。a)GCF-1000金屬表面的光學圖像。b)GCF-1000的光學顯微鏡圖像；c)GCF-1000邊緣區(qū)域的掃描電子顯微鏡圖像。d)GCF-1000表面形貌的掃描電子顯微鏡圖像。e)GCF1000的原子力顯微鏡圖像，厚度為≈650 nm.

圖3.GCFs的熱分析和結構表征。a）TG曲線，b）DTG曲線和c）TG-MS曲線，在氬氣氣氛下在10℃ min^-1下加熱至1200℃。d)200℃熱處理的葡萄糖粉末和葡萄糖-PAM水凝膠的FTIR圖譜。e)GCFs的XPS圖譜。F)GCFs和去卷曲峰的N 1S XPS譜。G)GCFs的GIXRD圖譜。

圖 4.GCF的定向結構。a)三種不同顏色的框架代表不同的位置。插圖顯示了 GCF-1400 的 SAED 模式。b） GCF-1400的頂部、c） 中央和 d） 底部位置 HRTEM 圖像;插圖顯示測量的 d₀₀₂。e–h） 2D GIWAXS 模式。每幅圖像右上角的數字是計算出的赫爾曼方向因子f。

圖 5.各向異性導熱和散熱演示。a）TDTR信號和最佳匹配曲線到GCF-1400的理論傳導模型。b） 與溫度相關的TDTR信號和GCF-1000理論傳導模型的最佳匹配曲線。c） GCF的親緣平面;插圖顯示了GCF的k的各向異性值。e）GCF-1400與不同晶體和石墨烯基材料的各向異性值的比較。f） 不同加熱或冷卻時間的熱紅外圖像，用于點狀熱源的散熱。g） 智能手機在不同工作條件下的熱紅外圖像。

圖6.GCFs的電磁干擾屏蔽性能和機械性能。a)GCF@PET復合薄膜的制備示意圖。b)彎曲GCF-1400@PET的光學圖像。c)GCF-1400納米帶的掃描電子顯微鏡原位彎曲試驗。d)基于使用定量納米壓頭驅動的PTP微器件的GCF-1400(40 nm厚)的原位掃描電子顯微鏡微拉伸測試裝置。e)40 nm GCF1400試件在恒位移速率為2 nm s^?1的單軸拉伸載荷下的應力-應變曲線。f)整個X頻段(8.2-12.4 GHz)GCF的EMI設置曲線圖。

本文開發(fā)了一種簡單易行的葡萄糖水凝膠可控碳化方法來合成各向異性取向的碳膜，實現(xiàn)了高效散熱和良好的電磁屏蔽雙重功能。高濃度葡萄糖溶液和PAM網絡之間的協(xié)同作用導致了致密的碳結構。葡萄糖-PAM水凝膠薄膜在熱處理過程中的不對稱收縮導致納米石墨的水平取向，形成定向結構。GCFs的取向結構提高了面內導熱系數，并使截面方向上的導熱路徑最小化。這導致了439.9 W m^?1 K^?1的高k_in-plane平面和0.49 W m?1 K?1的極低k_cross-plane，達到了898的創(chuàng)紀錄的熱導率各向異性值。與商用石墨相比，GCF在高功率點狀熱源和高度集成的智能手機中也顯示出優(yōu)越的散熱效率。此外，這些薄膜具有良好的柔韌性、高機械強度，以及在反復彎曲和惡劣環(huán)境(強酸/堿和鹽)下的出色穩(wěn)定性。這項工作為制備經濟有效的散熱和電磁屏蔽雙功能材料提供了一種創(chuàng)新的策略，在精密電子、可穿戴設備和航空航天方面具有潛在的應用前景。

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