来源 | Science Bulletin

链接 | https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.011

01

背景

5G 技术提升了微电子器件的集成密度，高功率芯片产热大幅增加，低效散热会导致器件热失效，热界面材料（TIMs）作为芯片与散热器间的核心传热介质，其性能直接决定器件稳定性和寿命。单纯提高导热填料含量无法保证散热效率，热传导路径的连续性和取向性至关重要；传统 TIMs 填料随机分散，热传导路径无序；单方向取向的 TIMs 存在热传递短板，面内取向限制垂直传热，面外取向易导致水平积热。

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成果掠影

近日，西北工业大学顾军渭与南洋理工大学Zhou Kun团队提出水平分布 - 垂直传递 - 水平耗散的三级热传导路径设计策略，采用直写式墨水 3D 打印（DIW）技术制备出柱廊结构 PDMS 基 TIMs；该材料上下层为面内取向的 BNNS/PDMS 复合层、中间为面外取向的 rGO/PDMS 复合层，相较随机结构、三明治结构 PDMS 基 TIMs，其在 20 wt% 填料含量下实现6.63 W/m.K的整体热导率（为纯 PDMS 的 32.1 倍）和4.22×10⁻⁴ m² K /W的超低热阻（较纯 PDMS 降低 97.0%），同时兼具优异的电气绝缘性能、机械性能和被动日间辐射冷却性能（最大降温 5.4℃），该材料为电子器件热管理提供了新方案，在电动汽车电池包、户外高压设备等领域具有重要应用潜力。研究成果以“Architecting optimized thermal conduction pathways in colonnade-structured polydimethylsiloxane-based thermal interface materials by direct ink writing” 为题，发表于《Science Bulletin》期刊。

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图文导读

图1基于PDMS的柱状结构TIM的制备过程示意图。

图2 DIW打印纤维的组成和微观结构：PDMS纤维、BNNS/PDMS纤维和rGO/PDMS纤维的（a）FTIR、（b）XPS和（c）XRD光谱、（d）PDMS纤维、（e）5wt%、（f）10wt%、（g）15wt%、（h）20wt% BNNS/PDMS纤维和（i）5wt%、（j）10wt%、（j）20wt% BNNS/PDMS纤维的SEM图像和EDS图谱。（k）15重量%，（l）20重量%的rGO/PDMS纤维。

图3 DIW打印纤维内BNNS和rGO的取向：（a）5重量%、（b）10重量%、（c）15重量%、（d）20重量% BNNS/PDMS纤维和（e）5重量%、（f）10重量%、（g）15重量%、（h）20重量% rGO/PDMS纤维的WAXS图谱。（i）DIW打印纤维的方位角分布曲线和（j）取向度f。

图4柱状结构PDMS基TIMs的显微结构。TIMs的（a）上表面，（b）上界面，（c）中间部分，（d）下界面和（e）下表面的SEM图像和EDS图。

图5基于柱形结构的PDMS的TIM的热导率和热管理能力：面内和面间热导率（a）BNNS/PDMS层和（b）rGO/PDMS层的热传导率（分别为λ π和λ π）。（c）基于柱结构、非柱结构和无规结构PDMS的TIM的总热导率λ。（e）柱状结构的，和（f）无规结构的基于PDMS的TIM。（g）柱状结构的，柱状结构的，和随机结构的基于PDMS的TIM。柱廊结构的基于PDMS的TIM的总热导率（h）在不同温度下和（i）在加热和冷却循环期间。（j）温度-时间关系曲线和LED灯泡的红外热图像（k）随机结构的、（1）随机结构的和（m）列结构的基于PDM的TIM。

图6基于柱廊结构PDMS的TIM的被动日间辐射冷却性能。(a)太阳光谱反射率，（b）中红外光谱发射率，和（c）辐射冷却机制。（d）示意图和（e）实际测试的数字照片。（f）实际辐射冷却测试期间的温度-时间关系曲线。