一种具有柔性金属级导热的石墨烯纤维基热界面材料

      随着科技不断发展,芯片的微型化和集成化导致功率密度上升,带来了严重的散热问题,巨大的热量将严重影响电子器件的工作效率和使用寿命。急需一种兼具高垂直热导率和低接触热阻的热界面材料(TIMs),来填充芯片和热沉间的微间隙,以此来消除多余的热量。沥青基碳纤维因其超高的轴向热导率成为了目前热界面材料中导热填料的热门候选。然而,由于其极高的模量、刚度与填充含量,实际使用中碳纤维基热界面材料的压缩模量与接触热阻难以进一步优化。因此,在现有的材料体系下,高性能热界面材料所需的高导热性能与低压缩模量难以兼得。
      近日,浙江大学刘英军研究员、许震研究员、高超教授团队,首次采用高导热柔性的石墨烯纤维作为导热填料,并创造性地提出了一种机电双场协同取向工程策略。与最先进的碳纤维(CF)相比,石墨烯纤维(GF)具有高达约1200 W/mK 的超高导热率和出色的柔韧性。在双场协同取向工程策略下,获得了兼具高垂直取向度(0.88)和优异阵列密度(33.5 mg cm2)的GF阵列。即使在17wt %填料含量下,该TIM表现出金属级的导热性能(82.4Wm-1K-1)与优异的弹性顺应性,还具有良好的结构和导热性能稳定性,超过大多数基于碳纤维的热界面材料,甚至可与常用的铟箔相媲美。得益于GF的低刚度,GF基TIM的压缩模量低至0.57MPa,压缩循环后的回弹率高达 95%,接触热阻低至 7.4K mm2/W。 
      本工作新颖的材料体系和取向工程策略,有效地调节了热界面材料设计中力-热不匹配的难题,为制备高性能TIM提供了有效的解决方案。研究成果以“Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering”为题发表在《ACS Nano》。
      
                                                                                                 图1.GF-TIM的制备和表征;
     
                                                                          图2.光纤阵列的结构表征和取向原理;
     
                                                                                            图3.GF-TIM的导热系数
     


                                                                                      图4.GF-TIM的机械性能
   
                                                                                  图5.GF-TIM在电子设备中的冷却性能;

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