来源 | Small Structures

链接 | https://doi.org/10.1002/sstr.202400652

01

背景介绍

电子设备的不断小型化和集成度的提高导致设备中的散热量增加。热界面材料（TIM），通常用于填充散热器和发热元件之间的间隙，受到了广泛的关注。传统热界面材料（如硅脂、金属箔）在导热方向性、柔韧性或多功能性上存在局限。具有双向导热性的多功能环保型热界面材料已成为解决电子器件散热问题的优秀材料，石墨烯卓越的热性能和机械性能使其成为热管理领域的理想材料。石墨烯虽导热性能优异，但随机分散在聚合物中会导致界面热阻高，且难以同时提升面内（水平）和垂直（厚度）方向的导热性能。如何低成本制备双向高导热的TIM，成为行业难题。

02

成果掠影

近日，上海大学张勇、张燕、魏斌团队与瑞典查尔姆斯理工大学刘建影教授合作，通过在外部机械力作用下组装和堆叠回收的石墨烯条（GS）并将其用作增强体来增强环氧树脂（EP）复合材料，从而构建有效的导热路径。该复合材料的垂直导热系数达到 104.6 W/mk，同时保持了 10.6 W/mk的优异平行导热系数。这种优异的双向导热性能归因于组装堆叠石墨烯构建的热传输通道，其可使热传递更高效。该复合材料的出色热性能也通过实际应用得到了验证：GS/EP复合材料不仅能有效降低计算机 CPU 的核心温度、降低 LED 芯片表面温度，还展现出焦耳热效应、电磁屏蔽等多功能特性。重要的是，这项工作为制备具有双向导热性能的商用热界面材料提供了一种潜在方法，以解决下一代电子设备的热管理问题。研究成果以“Graphene Film for Multifunctional Graphene-Based Thermal Interface Material with Bidirectional High Thermal Conductivity”为题发表在《Small Structures》期刊。

03

图文导读

图1. GS/EP复合材料的制造流程示意图。

图2. a) 不同压力下不同 GS 含量的 GS/EP 复合材料的热阻。b) 复合材料的垂直（K⊥）和平行（K//）热导率。c、d) GS/EP（红色虚线表示热流方向）和 e) GS 含量为 63.5 wt% 的 RGS/EP 复合材料的横截面形貌。f) 通过有限元模拟模拟的 RGS/EP 和 GS/EP 复合材料中的温度分布。g) GS/EP 复合材料的 Agari 模型模拟。h) 不同 GS 含量的 GS/EP 复合材料在垂直和平行方向的 TCE 以及之前报道的其他复合材料。i) 85 °C/85%RH 湿热试验前后 GS 含量为 63.5 wt% 的 GS/EP 复合材料的热导率。

图3.a）LED模块在加热和随后的自然冷却过程中的温度曲线，插图显示了LED传热应用的示意图。B）使用热成像仪拍摄的LED模块的红外热图像。c）环氧树脂，商业硅胶垫，d）（c）中不同样品的温升比较。e）在不同输入电压下GS/EP复合材料的表面温度作为时间的函数。f）温度和U2的实验数据和线性拟合。

图4. a）CPU热管理系统示意图。b）实验部分示意图，在CPU上的TIM和从CPU移出的TIM。c）CPU核心温度随加热时间的变化。

图5. a) 不同 GS 含量的 GS/EP 复合材料的拉伸强度。b) 85°C/85%RH 湿热试验前后 GS/EP 复合材料的拉伸强度。c) 不同 GS 含量下 GS/EP 复合材料的压缩应力-应变曲线。以及 50% 压缩下 GS/EP 复合材料的压缩强度。d、e) 沿石墨烯方向的 GS/EP 复合材料的 EMI SE，f、g) 垂直于石墨烯方向的 GS/EP 复合材料的 EMI 屏蔽机理图解。i) 将 GS/EP 复合材料放入特斯拉线圈系统后，其 EMI 屏蔽效果的实际应用。