來(lái)源：ACS Nano

鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17391

01 背景介紹

在電子設(shè)備微型化、晶體管集成度激增的趨勢(shì)下，單位面積輸出功率大幅提升，芯片工作溫度過(guò)高成為影響其可靠性與壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。熱界面材料（TIMs）作為填充芯片與散熱器間隙的核心部件，需同時(shí)滿足高垂直熱導(dǎo)率（κ⊥）、低接觸熱阻（Rc）、低壓縮模量、良好柔順性及優(yōu)異界面匹配性等多重要求。然而傳統(tǒng) TIMs 面臨嚴(yán)峻技術(shù)瓶頸：一是熱導(dǎo)率與接觸熱阻難以協(xié)同優(yōu)化，硅酮類導(dǎo)熱膏雖界面接觸性好，但聚合物基體導(dǎo)熱率極低（<17 W/(m?K)）；二是相變材料（PCMs）雖具備良好潤(rùn)濕性和高儲(chǔ)熱能力，但自身導(dǎo)熱率僅 1-10 W/(m?K)，且易泄漏；三是納米碳材料（如石墨烯、碳納米管）雖導(dǎo)熱性能優(yōu)異，但存在顯著各向異性，需精準(zhǔn)控制取向與分布才能實(shí)現(xiàn)高效散熱，且與基體結(jié)合后易因剛性導(dǎo)致界面接觸不良。因此，開發(fā)兼具超高導(dǎo)熱率、超低接觸熱阻、無(wú)泄漏及長(zhǎng)效穩(wěn)定性的新型 TIMs，成為解決高功率電子設(shè)備散熱難題的核心突破口。

02 成果掠影

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱彥武與葉傳仁團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出 “層狀軋制組裝” 設(shè)計(jì)策略，成功開發(fā)出垂直石墨烯薄膜（VAGF）與改性石蠟（POS）層狀復(fù)合熱界面材料（GPOS），實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱性能與界面適配性的協(xié)同突破。該復(fù)合材料采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：基質(zhì)為經(jīng)烯烴嵌段共聚物（OBC）與苯乙烯 – 乙烯 – 丁烯 – 苯乙烯（SEBS）交聯(lián)改性的石蠟（POS），解決了傳統(tǒng)石蠟易泄漏的問(wèn)題，同時(shí)具備良好 deformability；增強(qiáng)相為垂直取向的石墨烯薄膜（VAGF），提供高效熱傳導(dǎo)通道。這種 “高導(dǎo)熱骨架 – 高柔順基質(zhì)” 協(xié)同設(shè)計(jì)賦予材料卓越綜合性能：熱學(xué)性能方面，55℃（相變溫度區(qū)間）時(shí)垂直熱導(dǎo)率高達(dá) 789 W/(m?K)，60 psi 壓力下接觸熱阻低至 17 K?mm2/W，遠(yuǎn)超商用 TIMs；穩(wěn)定性方面，經(jīng) 300 次熔融 / 冷凍循環(huán)后泄漏量 < 0.3 wt%，3600 次熱循環(huán)后仍保持穩(wěn)定散熱性能；實(shí)際應(yīng)用中，在 30 W/cm2 熱通量下，模擬芯片溫度升高僅 30-44℃，顯著低于商用碳纖維導(dǎo)熱墊（73℃），散熱效率提升 59.0%-130.8%。該材料制備工藝具備規(guī)模化潛力，通過(guò)調(diào)控軋制層數(shù)與組分比例可精準(zhǔn)控制性能，為高功率電子設(shè)備熱管理提供了全新解決方案。研究成果以“Lamellar Composites of Vertical Graphene and Phase-Change Materials for Highly Efficient Heat Dissipation”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊。