来源 | ACS Nano

链接 | https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17391

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背景介绍

在电子设备微型化、晶体管集成度激增的趋势下，单位面积输出功率大幅提升，芯片工作温度过高成为影响其可靠性与寿命的关键问题。热界面材料（TIMs）作为填充芯片与散热器间隙的核心部件，需同时满足高垂直热导率（κ⊥）、低接触热阻（Rc）、低压缩模量、良好柔顺性及优异界面匹配性等多重要求。然而传统 TIMs 面临严峻技术瓶颈：一是热导率与接触热阻难以协同优化，硅酮类导热膏虽界面接触性好，但聚合物基体导热率极低（<17 W/(m・K)）；二是相变材料（PCMs）虽具备良好润湿性和高储热能力，但自身导热率仅 1-10 W/(m・K)，且易泄漏；三是纳米碳材料（如石墨烯、碳纳米管）虽导热性能

优异，但存在显著各向异性，需精准控制取向与分布才能实现高效散热，且与基体结合后易因刚性导致界面接触不良。因此，开发兼具超高导热率、超低接触热阻、无泄漏及长效稳定性的新型 TIMs，成为解决高功率电子设备散热难题的核心突破口。

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成果掠影

近日，中国科学技术大学朱彦武与叶传仁团队联合提出 “层状轧制组装” 设计策略，成功开发出垂直石墨烯薄膜（VAGF）与改性石蜡（POS）层状复合热界面材料（GPOS），实现了导热性能与界面适配性的协同突破。该复合材料采用创新结构设计：基质为经烯烃嵌段共聚物（OBC）与苯乙烯 – 乙烯 – 丁烯 – 苯乙烯（SEBS）交联改性的石蜡（POS），解决了传统石蜡易泄漏的问题，同时具备良好 deformability；增强相为垂直取向的石墨烯薄膜（VAGF），提供高效热传导通道。这种 “高导热骨架 – 高柔顺基质” 协同设计赋予材料卓越综合性能：热学性能方面，55℃（相变温度区间）时垂直热导率高达 789 W/(m・K)，60 psi 压力下接触热阻低至 17 K・mm²/W，远超商用 TIMs；稳定性方面，经 300 次熔融 / 冷冻循环后泄漏量 < 0.3 wt%，3600 次热循环后仍保持稳定散热性能；实际应用中，在 30 W/cm² 热通量下，模拟芯片温度升高仅 30-44℃，显著低于商用碳纤维导热垫（73℃），散热效率提升 59.0%-130.8%。该材料制备工艺具备规模化潜力，通过调控轧制层数与组分比例可精准控制性能，为高功率电子设备热管理提供了全新解决方案。研究成果以“Lamellar Composites of Vertical Graphene and Phase-Change Materials for Highly Efficient Heat Dissipation”为题发表在《ACS Nano》期刊。

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图文导读

图1. GPOS制备过程示意图

图2. GPOS的结构和机械特性。（a）轧制前POS涂覆的VG层压复合材料的厚度和POS在GPOS中的体积比。插图显示POS和GPOS的照片。（b）GF、POS和GPOS 2的拉曼光谱。（c）GPOS 1的3D X射线断层扫描图像概览，（d）GPOS 1、（e）GPOS 2和（f）GPOS 3的3D X射线断层扫描图像放大视图。比例尺：（g）在300次熔化/冷冻循环期间GPOS的泄漏重量。（h）GPOS在22和55 °C时的压缩应变-应力曲线。

图3. GPOS样品的热物理特性。（a）PW、POS和GPOS的DSC曲线。（b）GPOS中POS的熔化焓和计算重量比。（c）GPOS在22、55、60 ℃下的垂直热导率κ B。（d）GPOS在压缩应力下的接触热阻。（e）在55 °C下测量的GPOS 2与先前报道的和商业TIM的κ ε和Rc的比较。（f）GPOS和铜之间的表面温差与加热时间的关系。插图显示了加热200秒后GPOS和铜的IR图像。

图4. GPOS的热传递机制。（a）带红外温度监测的热桥装置示意图。（ b）在2、5和9 s后记录的GF和GPOS薄片POS侧的温差。（c）0 - 10 s的GF和GPOS 2-POS-UP的温度。(d)GPOS 2的温度演化的数值模拟，加热功率施加60 μs。（e）GPOS 2中的热通量分布和热传输方向。（f）石墨烯和POS的集成散热和热交换功率。（g）GPOS的传热机制示意图。

图5. GPOS的散热性能。（a）散热评估的实验设置和示意图配置。（b）输入为30W/cm²时的Theater与时间的关系曲线。（c）稳态Theater与2至30 W/cm²的输入功率密度的关系。（d）Theater值与功率密度的关系。（e）GPOS的热循环稳定性3。