来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202522766

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背景介绍

随着芯片尺寸减小、集成度和功耗提升，运行时产生的热量急剧增加，易导致热失控（TR），影响设备稳定性和寿命；传统相变热界面材料（PCM-TIMs）存在导热率低、相变后易泄漏的问题，而无序高导热基质会加剧声子散射，限制导热效率提升。构建定向排列的纳米填料以实现连续的导热路径是提高CPCM导热率的有效策略。目前，构建三维多壁碳纳米管（MWCNTs）泡沫并将其作为定向导热骨架用于复合相变材料型热界面材料的研究还很少报道。

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成果掠影

近日，青海大学马斌教授团队通过定向冷冻法构建了垂直排列的三维多壁碳纳米管（MWCNTs）骨架（MCNT），并经真空浸渍复合六水氯化钙（CaCl₂・6H₂O）相变材料（PCM）制备出复合相变热界面材料（MPCM）；该材料具有显著的各向异性导热性（轴向 6.86 W/mK、径向 0.08 W/mK），将过冷度降至 11.41 °C，有效抑制 PCM 泄漏，在 CPU 热管理应用中使核心峰值温度降低 24 °C、表面峰值温度降低 19.5 °C，且经过 20 次热循环后最大温度波动仅 5.2 °C，展现出优异的散热效率、结构稳定性和循环可靠性，为高性能芯片热管理提供了有效解决方案。研究成果“Directional Construction of Thermal Superhighways with Composite Phase Change Materials for Chip Thermal Management Application”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1. a）模拟实验图，b）传导热通量图，c）温度分布图，以及d）无序和定向MWCNT布置的瞬态操作条件下CPU的温度变化曲线。

图2. a）MCNT的数字照片和图表; b）MCNT的轴向SEM图像; c）MCNT的径向SEM图像; d）MCNT的轴向和径向热导率（左）和热扩散率（右）; e）MCNT对温度的轴向和径向响应的红外图像。

图3.a）MPCM的数字照片; b）MPCM的轴向SEM图像; c）MPCM的径向SEM图像; d）MPCM的XRD图案; e）MPCM的FT-IR光谱。

图4.a）MPCM的DSC曲线; b）分别在30、40和50 °C下连续保持30分钟后的MPCM的数字照片; c、d）定向和无序泄漏测试; e）MPCM的各向异性热导率（左）和热扩散率（右）; f）MPCM在0、500和1200 s时的轴向和径向热传递的红外图像。

图5. MCNT和MPCM在火焰加热下的行为：a）在火焰加热期间; b）在火焰停止后的一段时间之后; c）滴落测试。

图6. CPU核心温度和红外线温度曲线a）不带MPCM和b）带MPCM; c）带和不带MPCM的CPU核心温度比较; d）带和不带MPCM的红外线温度比较; e）带和不带MPCM的数码照片和红外线照片。

图7. a）DSC曲线和b）0、30、60和90次循环后MPCM的相变焓; c）每次循环的最大CPU红外温度。