电子芯片功率密度的提升与集成化趋势催生了对先进热界面材料的需求。然而，垂直取向石墨烯-聚合物复合材料因热稳定性差（超过230°C）且面内散热能力低，限制了热点管理效能。本文，中国科学院山西煤炭化学研究所贾辉、Fangyuan Su等研究人员在《Small》期刊发表名为“High-Throughput Screening Enables Ultrathin and High Thermal Conductivity All-Carbon Graphene Foam Thermal Interface Materials”的论文，研究基于有限元分析的高通量筛选策略，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球为模板制备出超薄全碳石墨烯泡沫。
PMMA模板的引入建立了面内/面间热传导网络，并在PMMA热解过程中释放羧基形成酸性环境，促进环氧树脂开环反应。此外，PMMA热解产生的CO促使氧化石墨烯中的氧官能团分解为H₂O和CO₂，从而保留碳原子。由此，石墨烯泡沫在垂直与平面方向分别展现出51.8和608.6 mm² s⁻¹的高热扩散率。在40 psi压力下，键合线厚度可缩减至29 µm，接触热阻降至0.104 K·cm²·W⁻¹的超低水平。此外，与商用导热垫相比，该材料使陶瓷加热器温度降低16°C，并在300°C高温下展现出优异的热稳定性。本研究为开发超薄耐高温导热垫提供了新途径。
图1 (a₁–a₅) 用于模拟的二维石墨烯泡沫模型，孔径分别为 1、3、5、8 和 10 µm。(b) 模拟得到的不同孔径石墨烯泡沫的热导率。(c) 石墨烯泡沫制备过程示意图。(d) PMMA 微球的 SEM 图像。(e) GO 纳米片的 SEM 图像。(f) GO 片层横向尺寸的统计分布。(g) G2/PMMAF 的数码照片。
图2 (a₁–a₃) GO、rGO 和 GF 的 SEM 图像。(b₁–b₃) GO2/PMMA、rGO2/PMMAF 和 G2/PMMAF 的 SEM 图像。(c) GF 和 G/PMMAFs 的体积密度。(d) G/PMMAFs 的孔隙率。(e) G/PMMAFs 的孔径分布。
图3 (a) GO 和 PMMA 的热重 (TG) 曲线。(b) GO 和 GO/PMMAs 的热重曲线。(c) GO、PMMA 和 GO2/PMMA 在不同温度下 H₂O、CO 和 CO₂ 的相对释放分数。(d) GO 和 GO/PMMAs 在 800°C 时的实际残余质量。(e) GO 和 GO/PMMAs 在 30°C–250°C 热解过程中的质量变化。(f) GO 和 GO/PMMAs 在 250°C–800°C 热解过程中的质量变化。(g) rGO 和 rGO/PMMAs 的碳含量。(h) rGO 和 rGO/PMMAs 的酯基含量。(i) rGO 和 rGO/PMMAs 的 I_D / I_G 比值。
图4 (a) GF 和 G/PMMAFs 的 X 射线衍射 (XRD) 图谱。(b) GF 和 G/PMMAFs 的层间距。(c) GF 和 G/PMMAFs 的拉曼光谱。(d) GF 和 G/PMMAFs 的轴向 (L_c) 和横向 (L_a) 微晶尺寸。(e) GF 和 G/PMMAFs 拉曼光谱中的 2D 峰。
图5 示意图：(a) GO 的碳化机理，(b) GO2/PMMA 的碳化机理，(c) rGO 的石墨化机理，(d) rG2/PMMA 的石墨化机理。
图6 (a) GF 和 G/PMMAFs 的面内和面间热扩散系数。(b) GF 和 G2/PMMAF 的界面和接触热阻。(c) 本工作与商用导热垫片和导热硅脂的热阻和边界层厚度对比。(d) G/PMMAFs 的结构-性能关系示意图。
图7 (a) 主要热测试装置示意图。(b) 不同热界面材料的表面温度曲线。(c) 主要热测试期间的红外热像图。(d) 实际应用中热界面材料示意图。(e) 热界面材料实际应用测试期间陶瓷加热器的表面温度曲线。(f) 热界面材料实际应用测试期间的红外热像图。(g) G2/PMMAF 和商用导热垫片的高温应用测试。
综上所述，为满足日益增长的热管理需求，兼具高面内与面间热导率的全碳石墨烯泡沫被视为有前景的热界面材料候选者。因此，本研究采用基于有限元模拟的高通量筛选技术，精准调控石墨烯泡沫的孔径尺寸，旨在构建最优的三维石墨烯导热网络。通过真空辅助过滤法，以直径5微米的PMMA微球为模板，结合微米级氧化石墨烯片作为前驱体，成功组装出石墨烯泡沫结构。在热处理过程中，PMMA同时促进氧化石墨烯还原，有助于修复石墨烯纳米片缺陷并促进晶粒生长。经合理设计的G2/PMMAF泡沫展现出卓越的热扩散性能：垂直面热扩散率达51.8 mm² s⁻¹，平面热扩散率达608.6 mm² s⁻¹， 总热阻低至0.157 K cm² W⁻¹，接触热阻为0.104 K cm² W⁻¹，在40 psi压力下实现29 µm的薄层厚度。相较于商用导热材料，G2/PMMAF可将工作温度进一步降低约16°C。此外，其纯石墨烯结构使其在300℃高温处理后仍保持优异柔韧性。本研究为可控制备全无机石墨烯热界面材料提供了新策略，验证了多孔石墨烯材料在热管理领域的应用潜力，并为开发高导热复合材料奠定了框架基础。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202512639
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