來源：ACS Nano

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

01 背景介紹

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

02 成果掠影

近日，中國科學技術(shù)大學朱彥武與葉傳仁團隊聯(lián)合提出 “層狀軋制組裝” 設計策略，成功開發(fā)出垂直石墨烯薄膜（VAGF）與改性石蠟（POS）層狀復合熱界面材料（GPOS），實現(xiàn)了導熱性能與界面適配性的協(xié)同突破。該復合材料采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計：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)石蠟易泄漏的問題，同時具備良好 deformability；增強相為垂直取向的石墨烯薄膜（VAGF），提供高效熱傳導通道。這種 “高導熱骨架 – 高柔順基質(zhì)” 協(xié)同設計賦予材料卓越綜合性能：熱學性能方面，55℃（相變溫度區(qū)間）時垂直熱導率高達 789 W/(m?K)，60 psi 壓力下接觸熱阻低至 17 K?mm2/W，遠超商用 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；實際應用中，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，通過調(diào)控軋制層數(shù)與組分比例可精準控制性能，為高功率電子設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。