中科大朱彥武、葉傳仁ACS Nano：新型層狀復(fù)合材料！垂直石墨烯與相變材料聯(lián)手實現(xiàn)高效散熱

隨著晶體管集成度不斷提高、芯片尺寸持續(xù)微型化，單位面積輸出功率大幅上升，芯片工作溫度的控制成為影響其可靠性的關(guān)鍵因素。熱界面材料（TIMs）用于填充芯片與散熱器之間的空隙，以降低空氣極低導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致的傳熱障礙。然而，現(xiàn)有TIMs往往難以同時實現(xiàn)高垂直導(dǎo)熱系數(shù)和低接觸熱阻，且常伴隨機械柔順性不足、易泄漏等問題，成為高性能散熱技術(shù)發(fā)展中的主要挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱彥武教授、葉傳仁特任副研究員合作，提出了一種基于垂直石墨烯與改性石蠟的層狀復(fù)合材料，通過逐層輥壓組裝工藝制備，成功實現(xiàn)了高熱導(dǎo)率與優(yōu)異柔順性的統(tǒng)一。該材料在60 psi壓力下接觸熱阻僅為17 K·mm2·W?1，在55°C時整體導(dǎo)熱系數(shù)高達789 W·m?1·K?1，且在模擬芯片30 W·cm?2的熱流密度下，溫升顯著低于商用TIM墊片，展現(xiàn)出卓越的散熱性能與應(yīng)用潛力。相關(guān)論文以“Lamellar Composites of Vertical Graphene and Phase-Change Materials for Highly Efficient Heat Dissipation”為題，發(fā)表在

ACS Nano

研究團隊首先通過將石墨烯薄膜與改性石蠟（POS）逐層涂覆并輥壓成致密圓柱體，再切割成片狀樣品，成功構(gòu)建了稱為GPOS的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖1展示了該材料的制備流程：先對石蠟進行聚合物改性以防止泄漏，再將其均勻涂覆于石墨烯薄膜表面，經(jīng)輥壓與切割得到最終樣品。結(jié)構(gòu)表征顯示（圖2），GPOS具有均勻的“斑馬紋”層狀結(jié)構(gòu)，無孔隙或團聚，且隨著POS體積分數(shù)從44.5%增至80.5%，其POS層厚度逐步增加。泄漏測試表明，即使經(jīng)過300次熔融-凝固循環(huán)，GPOS樣品質(zhì)量損失極低，顯示出良好的形狀穩(wěn)定性和抗泄漏能力。壓縮實驗進一步說明，在相變溫度范圍內(nèi)，材料柔順性顯著提升，GPOS3在10 psi下壓縮應(yīng)變可達9.3%，有利于實現(xiàn)緊密的界面接觸。

圖1. GPOS制備過程示意圖。

圖2. GPOS的結(jié)構(gòu)與機械性能表征。（a）輥壓前POS涂覆的VG層壓復(fù)合材料厚度及GPOS中POS體積比。插圖為POS和GPOS的照片。（b）GF、POS和GPOS2的拉曼光譜。GPOS1的（c）整體和（d-f）局部放大三維X射線斷層掃描圖像。比例尺：100 μm。（g）GPOS在300次熔融/凝固循環(huán)中的泄漏質(zhì)量。（h）GPOS在22°C和55°C下的壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線。

熱物理性能測試結(jié)果（圖3）表明，GPOS的相變溫度范圍覆蓋32–69°C，與常見芯片工作溫度匹配。GPOS2在55°C時導(dǎo)熱系數(shù)達到789 W·m?1·K?1，接觸熱阻在60 psi下僅為17 K·mm2·W?1，優(yōu)于多數(shù)已報道的TIMs。紅外監(jiān)測顯示，GPOS在加熱過程中表面溫度普遍高于銅基板，僅在相變吸熱階段出現(xiàn)短暫溫降，說明其具備快速傳熱與溫度調(diào)節(jié)的雙重能力。

圖3. GPOS樣品的熱物理性質(zhì)表征。（a）PW、POS和GPOS的DSC曲線。（b）熔化焓及GPOS中POS的計算質(zhì)量比。（c）GPOS在22、55和80°C下的垂直導(dǎo)熱系數(shù)κ⊥。（d）GPOS在壓縮應(yīng)力下的接觸熱阻。（e）GPOS2在55°C下測得的κ⊥和Rc與以往報道及商用TIMs的對比。（f）GPOS與銅之間的表面溫差隨加熱時間的變化。插圖為加熱200秒后GPOS與銅的紅外圖像。

為揭示其強化傳熱的機理，研究團隊通過熱橋?qū)嶒炁c數(shù)值模擬進行分析（圖4）。結(jié)果顯示，在加熱初期，POS作為儲熱層吸收大量熱量，并在相變過程中形成額外的溫度梯度，進而推動熱量向高導(dǎo)熱的石墨烯層快速傳遞。石墨烯作為“熱傳導(dǎo)高速公路”，將熱量高效導(dǎo)出，從而實現(xiàn)整體散熱性能的協(xié)同提升。

圖4. GPOS的傳熱機制。（a）帶紅外溫度監(jiān)測的熱橋裝置示意圖。（b）GPOS層狀片材的POS側(cè)與裸露GF在2、5、9秒后的溫差記錄。（c）GF和GPOS2-POS-UP在0到10秒內(nèi)的溫度。（d）GPOS2在加熱功率施加60 μs后的溫度演化的數(shù)值模擬。（e）GPOS2中的熱通量分布與傳熱方向。（f）石墨烯和POS的累積散熱與熱交換功率。（g）GPOS的傳熱機制示意圖。

在實際性能測試中（圖5），GPOS在30 W·cm?2熱流下，模擬芯片的溫升比商用碳纖維導(dǎo)熱墊低約42°C，散熱系數(shù)提升59–130%。經(jīng)過3600次熱循環(huán)后，材料仍保持穩(wěn)定的散熱性能，顯示出良好的長期可靠性。

圖5. TIM性能測試。（a）模擬電子封裝環(huán)境的測試裝置示意圖。（b）在30 W·cm?2輸入功率下，GPOS與商用碳纖維導(dǎo)熱墊的加熱器溫升對比。（c）GPOS在不同輸入功率下的溫升表現(xiàn)。（d）GPOS與商用TIM的等效散熱系數(shù)對比。（e）GPOS3在3600次熱循環(huán)中的溫度穩(wěn)定性。

綜上所述，該研究通過石墨烯與改性石蠟的層狀復(fù)合設(shè)計，成功研制出一種兼具高導(dǎo)熱、低熱阻、抗泄漏和良好柔順性的新型熱界面材料。其可擴展的輥壓組裝工藝為高性能熱管理材料的可控制備提供了新思路，有望推動下一代電子器件散熱技術(shù)的進一步發(fā)展。