5G通信時(shí)代，智能手機(jī)等現(xiàn)代先進(jìn)多功能電子設(shè)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(yùn)行過程中不可避免地會(huì)在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，并受到嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)影響。過熱和不可避免的電磁波(EMW)會(huì)導(dǎo)致周圍元件之間的干擾，危及器件的可靠性和壽命，并對(duì)人類健康造成嚴(yán)重影響。目前的商業(yè)應(yīng)用通常采用由人造石墨片的導(dǎo)熱層和金屬箔的EMI屏蔽層組成的多層設(shè)計(jì)來散熱，將EMI效應(yīng)降至[敏感詞]。遺憾的是，這些復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)很難滿足高效、超薄、輕便和廉價(jià)的要求。因此，開發(fā)同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)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(shè)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(yù)碳酸化過程中的反應(yīng)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(yù)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(xué)圖像。b)GCF-1000的光學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(cè)量的 d₀₀₂。e–h） 2D GIWAXS 模式。每幅圖像右上角的數(shù)字是計(jì)算出的赫爾曼方向因子f。

圖 5.各向異性導(dǎo)熱和散熱演示。a）TDTR信號(hào)和最佳匹配曲線到GCF-1400的理論傳導(dǎo)模型。b） 與溫度相關(guān)的TDTR信號(hào)和GCF-1000理論傳導(dǎo)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(shí)間的熱紅外圖像，用于點(diǎn)狀熱源的散熱。g） 智能手機(jī)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(jī)械性能。a)GCF@PET復(fù)合薄膜的制備示意圖。b)彎曲GCF-1400@PET的光學(xué)圖像。c)GCF-1400納米帶的掃描電子顯微鏡原位彎曲試驗(yàn)。d)基于使用定量納米壓頭驅(qū)動(dòng)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(cè)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(yīng)力-應(yīng)變曲線。f)整個(gè)X頻段(8.2-12.4 GHz)GCF的EMI設(shè)置曲線圖。

本文開發(fā)了一種簡(jiǎn)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(shí)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(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同作用導(dǎo)致了致密的碳結(jié)構(gòu)。葡萄糖-PAM水凝膠薄膜在熱處理過程中的不對(duì)稱收縮導(dǎo)致納米石墨的水平取向，形成定向結(jié)構(gòu)。GCFs的取向結(jié)構(gòu)提高了面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，并使截面方向上的導(dǎo)熱路徑最小化。這導(dǎo)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(dá)到了898的創(chuàng)紀(jì)錄的熱導(dǎo)率各向異性值。與商用石墨相比，GCF在高功率點(diǎn)狀熱源和高度集成的智能手機(jī)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(jī)械強(qiáng)度，以及在反復(fù)彎曲和惡劣環(huán)境(強(qiáng)酸/堿和鹽)下的出色穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為制備經(jīng)濟(jì)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(shè)備和航空航天方面具有潛在的應(yīng)用前景。

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