北京大学突破性成果！石墨烯“外衣”大幅提升氧化铝导热性能

导语：

电子设备小型化、高功率化带来的散热难题如何破解？热界面材料（TIM）是关键！北京大学刘忠范院士团队在《Advanced Science》发表创新成果：利用流化床化学气相沉积（FB-CVD）技术，成功为氧化铝（Al₂O₃）粉末披上高质量、连续的石墨烯“外衣”，制备出导热性能大幅跃升的复合粉末及热界面材料。这项技术攻克了高质量石墨烯复合材料可控制备难题，为下一代电子器件散热带来新希望。

研究亮点：

1. 创新“石墨烯皮肤”： FB-CVD 精准控制，在氧化铝粉末表面生长出高结晶度、高覆盖率、批次稳定的连续石墨烯层（Gr-skinned Al₂O₃）。
2. 构建“声子高速通道”： 石墨烯优异特性及其与 Al₂O₃ 的强声子耦合，在复合材料内形成高效热传递网络。石墨烯层热流通量比 Al₂O₃ 内部高出一个数量级！
3. 导热性能飞跃： 基于该材料制备的 TIM 导热率高达 6.44 W·m⁻¹·K⁻¹，显著优于传统 Al₂O₃ 基 TIM。
4. 散热效果显著： 应用于微型 LED，热点温度直降 17.7 °C，有效提升器件性能和寿命。
5. 可扩展平台： FB-CVD 技术为石墨烯包覆陶瓷复合材料提供了稳定、可规模化的制备路径。

图文精要：

• 图1：核心流程与应用
  • 流程： Al₂O₃ 粉末在流化床中被含碳气体包覆石墨烯。
  • 应用： 石墨烯包覆粉体填充聚合物形成 TIM。连续石墨烯层作为“声子快速通道”，高效导热，填平微间隙。

• 图2：高质量“外衣”证明
  • SEM/TEM等表征清晰展示：石墨烯层连续、完整、高结晶度地包裹 Al₂O₃ 颗粒，效果均匀可控。

• 图3 & 4：卓越性能验证
  • 理论模拟 (图3)： 揭示石墨烯层如何大幅提升界面热导（Gr/Gr 和 Al₂O₃-O/Gr 界面是关键）。

• • 性能实测 (图4c)： 石墨烯包覆 Al₂O₃ TIM 导热率/热阻性能全面碾压传统 Al₂O₃ TIM。
  • 红外热像 (图4d, g)： 直观显示使用该 TIM 后，器件表面及热点温度显著降低（降幅 17.7°C），效果震撼。
  • 性能对比 (图4h)： 该 TIM 在同类 Al₂O₃ 基材料中导热性能领先。

总结与展望：

北大团队这项突破性研究，成功实现了高质量石墨烯包覆氧化铝粉末的规模化可控制备。其构建的“声子高速通道”大幅提升了 TIM 导热性能，为高功率芯片、微型 LED、5G 等领域的散热难题提供了高效解决方案。

Controlled Growth of Graphene-Skinned Al2O3 Powders by Fluidized Bed-Chemical Vapor Deposition for Heat Dissipation

https://doi.org/10.1002/advs.202503388