一种具有优异的导热性能的石墨烯基热界面材料

背景介绍

随着晶体管密度的增加，先进制程的芯片需要更强大的散热能力来保证电子器件的可靠性。目前，柔性热界面材料(TIMs)作为TIM被用在芯片散热的应用中。在实际应用中，热导率和结构稳定性是TIMs的两个重要参数。优异的结构稳定性是保证高导热TIMs在复杂体系中长期运行的前提。传统的TIMs大多采用硅酮基体和导热填料的复合材料，但这种基体存在固有的工作温度范围窄(<150 ℃)、机械回弹性差等问题限制了材料应用。利用纯碳基TIMs是一种新兴的方法，可以提高导热性，并在大范围的工作温度下实现结构稳定性。然而，绝大多数碳基TIMs在变形时的可恢复性较差，甚至不具有变形性，这极大地限制了其实际应用。

成果掠影

近期，浙江大学高超教授、徐震教授和刘英军教授以及庞凯博士后共同在高导热TIM材料的制备取得新的成果。该团队采用水塑性泡沫(HPF)和界面强化方法制备了碳基石墨烯泡沫材料(GFR)作为柔性TIM。氧化石墨烯(GO)的浸渍增强了GFR内部的界面键合，使其具有优异的结构完整性。它可以在60%的压缩应变下保持10,000次循环后的机械稳定性，并能够维持高达500°C的高温，这在以前的报道中从未实现过。该团队证明了GFR-TIM不仅具有很高的结构稳定性，而且具有比大多数商用TIMs (5-10 W/mK)更高的导热系数(~17.42 W/mK)。GFR-TIM可以作为CPU的高效散热组件，与商用TIM相比，其散热效率更高。该项工作提供了一种先进的石墨烯基TIM，具有优异的环境适应性和抗疲劳性能，扩大了其在极端环境中的应用，如高超声速飞行器、高通量卫星和大功率雷达系统。研究成果以“Heterogeneous stacking strategy towards carbon aerogel for thermal management and electromagnetic interference shielding  ”为题发表于《Chemical Engineering Journal 》。

图文导读

图1.TIM应用示意图

图2.(a) GFR制备示意图，(b，c)无氧化石墨烯和有氧化石墨烯胶粘剂的GFR的SEM图像，(d)不同密度GFR的光学照片，(e，f) GFR的横切面和纵切面SEM图像

图3.(a) GFR在90%应变压缩循环中的可恢复性和(b)微观结构演变

图4.GFR的力学性能

图5.GFR的导热系数和TIM性能

图6.GFR-TIM的热管理应用

来源：Carbon

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118142