来源 | Journal of Colloid and Interface Science

链接 | https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.037

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背景介绍

随着电子产品向小型化、高集成化和多功能化方向发展，芯片和LED灯等高发热设备的热管理问题日益严峻。作为连接电子设备和散热器的关键热界面材料（TIM），其热导率直接决定了热量能否有效导出。目前，热脂是最常用的TIM，但其热导率通常较低，不适用于高功率电子设备。近年来，以镓铟合金为代表的液态金属（LM）基TIM因其高热导率、室温液态和一定流动性，引起了广泛关注。然而，LM在狭窄空间使用时，由于表面张力大，难以润湿和扩散。此外，LM良好的导电性使其容易泄漏，可能导致其他电子设备短路。因此，研究人员致力于开发新一代LM复合材料，以解决这些问题。

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成果掠影

近日，重庆电子科技职业大学曾承宗团队开发了一种新型的液态金属材料，即共晶镓铟（EGaIn）/金刚石/石墨复合材料。该复合材料实现了高达133±3 W/mK的最高热导率，比基体高出411%。键合机制揭示，通过石墨的功能团（对于–OH降低了108%，对于–C=O降低了125%）和EGaIn的氧化物（降低了64%），可以有效降低石墨和EGaIn之间的界面吸附能（E_int）。此外，通过EGaIn的氧化（降低了83%）和金刚石的H端（降低了187%），可以显著降低金刚石和EGaIn之间的E_int。热传导机制表明，在EGaIn/40 vol%金刚石/石墨复合材料中，3 vol%的石墨含量可以在金刚石颗粒之间形成优良的热传导桥。然而，当加入过多的石墨时，复合材料的热导率显著下降，这是因为石墨倾向于包覆金刚石颗粒。EGaIn与金刚石和石墨混合后，其熔点没有显著变化。这项工作展示了通过用片状材料桥接球形颗粒来提高基于LM的复合材料热导率的潜力。研究成果以“Boosted the thermal conductivity of liquid metal via bridging diamond particles with graphite”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊。

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图文导读

图1.(a) 基于镓的液态金属/金刚石/石墨复合材料的制备流程示意图及相应的显微图像。(b)含有1体积%石墨的EGaIn/金刚石/石墨复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。(c)对应比例的金刚石@EGaIn/石墨复合材料（金刚石:石墨=98:2）的SEM图像。(d)含有3体积%石墨的EGaIn/金刚石/石墨复合材料的SEM图像。(e)对应比例的金刚石@EGaIn/石墨复合材料（金刚石:石墨=93:7）的SEM图像。(f)含有5体积%石墨的EGaIn/金刚石/石墨复合材料的SEM图像。(g)对应比例的金刚石@EGaIn/石墨复合材料（金刚石:石墨=89:11）的SEM图像。(h)通过石墨桥接的EGaIn/金刚石的显微图像及其相应的能量色散X射线光谱(EDS)映射。

图2.(a) 金刚石、石墨和EGaIn/金刚石/石墨复合材料的X射线衍射(XRD)图谱。(b)金刚石和石墨的拉曼位移。(c)石墨的傅里叶变换红外光谱(FTIR)光谱。(d)金刚石的C1s光谱。(e)EGaIn/金刚石/石墨复合材料的X射线光电子能谱(XPS)全谱。(f)其高分辨率O1s光谱。(g)不同的原子界面模型及其最低界面吸附能。(h)不同金刚石界面的计算界面吸附能。(i)不同石墨界面的计算界面吸附能。

图3.(a) 在不同桥接模型下的金刚石颗粒的SEM图像，以及(b) 其相应的模拟温度等值线和(c) 热流等值线。(d)相应桥接模型的最大热流。(e)平均热流。(f)计算出的相应桥接模型的热导率。

图4.(a) 金刚石@EGaIn@石墨的原位颗粒接触过程及其(b) 热传导通道形成的示意图。(c)在热传导过程中，没有石墨的金刚石颗粒的模拟结果。(d)有石墨的金刚石颗粒的模拟结果。(e)在不同状态下，有或没有石墨的EGaIn/金刚石复合材料的最大热流。(f)平均热流。(g)热导率。

图5.(a) EGaIn与铜之间的热接触电阻与计算的铜-EGaIn-铜夹层结构的热导率之间的关系。(b)夹层结构厚度对其热导率影响的模拟研究。(c)EGaIn/金刚石/石墨复合材料的热导率随石墨体积分数的变化。(d)在加热过程中，含不同体积分数石墨的EGaIn/金刚石/石墨复合材料的温度随时间的变化。(e)在冷却过程中的温度变化。(f)图(d)和(e)的热成像图。(g)不同LM和LM/金刚石/石墨复合材料的热导率。(h)EGaIn/金刚石/石墨复合材料的热导率随金刚石尺寸的变化。(i)EGaIn及其含金刚石和石墨的复合材料的差示扫描量热法(DSC)曲线。

图6.(a) LED热管理结构的示意图。(b)使用不同TIM时，LED表面平均温度随时间的变化。(c)LED在开机和关机过程中的热成像图。(d)使用不同TIM时，LED散热结构的模拟温度等值线。(e)在不同TIM下，LED的最高温度随其功率的变化。

图7.(a) 使用不同TIM的服务器CPU核心与散热器。(b)在不同TIM或无TIM的情况下，CPU温度随使用时间的变化。(c)使用不同TIM时，CPU的最大节流。(d)在使用100% CPU和0% CPU的循环过程中，使用EGaIn/金刚石/石墨TIM的CPU温度随时间的变化。(e)测试后CPU和散热器上EGaIn/金刚石/石墨的照片。