声子桥工程 + 垂直取向架构：机械穿孔石墨烯纸 / 环氧树脂复合热界面材料的高效导热机制

背景介绍

高功率电子设备热失控问题严峻，热界面材料需兼具高导热与低界面热阻。传统聚合物基复合材料因填料随机分散，导热率低（<15 W/(m·K)），高填充量则刚性剧增，导致接触热阻大。石墨烯虽理论导热极高，但现有架构需超高负载量（>90 wt.%）致模量过高，且界面相容性差，限制导热提升。因此，亟需开发兼具高导热、低模量与优良界面结合的石墨烯基材料。

研究成果

近日，电子科技大学赵强副教授团队提出 “机械穿孔 + 堆叠 – 切割” 创新策略，成功开发出垂直取向石墨烯纸 / 环氧树脂（PGPE）复合热界面材料。该团队以高结晶度石墨烯纸（GP）为核心填料，通过机械穿孔制备带通孔的 PGP（穿孔石墨烯纸），利用穿孔结构抑制石墨烯堆叠，同时促进环氧树脂基体渗透，形成层间 “声子桥”；再经堆叠、真空浸渍、固化、切片与抛光工艺，构建垂直取向的连续导热通路，实现导热性能与机械柔顺性的协同优化。核心性能优势显著：导热性能方面，优化后的 PGPE₃₅样品（PGP 体积分数 35%）面外导热系数高达 456 W/(m・K)，远超银（429 W/(m・K)）等传统金属，PGPE₂₈样品面外导热系数达 331.51 W/(m・K)，较纯环氧树脂提升 2688 倍；界面与力学性能方面， compressive 模量低至 4.8 MPa，总热阻仅 0.23 K・cm²/W，界面接触热阻可低至 0.18 K・cm²/W，能紧密适配界面微观形貌；稳定性与实用性方面，经 10000 次热震循环及 60 W 功率下 8 小时连续运行后，结构与导热性能无明显衰减；器件级测试中，PGPE₂₈使 LED 稳态温度降至 50.6℃（较商用 HD90000 低 6.6℃），CPU 满负荷温度降至 65.2℃（较商用导热硅脂低 4.2℃），风扇失效时仍能维持稳定运行，容错性优异。该方法为高功率电子设备提供了高效、可靠的热管理解决方案，相关研究成果以 “Phonon-Bridge Engineering in Vertically Aligned Graphene Paper Composites Enables Efficient and Reliable Thermal Interface Materials” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》。

图文速览

图1. PGPE 复合热界面材料的制备流程与界面耦合原理。(a) PGPE 的制备流程示意图：包括石墨烯纸切割、机械穿孔、堆叠、真空浸渍环氧树脂、固化、切片与抛光等关键步骤；(b) PGP / 环氧树脂复合架构概念图，穿孔结构促进基体渗透与层间连接；(c) 柔性 PGPE 的界面耦合示意图，低模量特性使其能紧密贴合散热器与芯片表面，填充微观空隙。

图2. PGP 及 PGPE 的微观结构与力学性能。(a)-(b) PGP 的表面与横截面 SEM 图像，显示机械穿孔形成的通孔及孔边缘的垂直取向 “石墨烯尾”；(c) EP/GP/EP 与 EP/PGP/EP 的拉伸 – 失效粘合测试曲线，PGP 体系拉伸应力（176.7 kPa）与变形量（40.46 mm）显著高于未穿孔体系；(d) PGPE 的光学显微镜图像，亮条纹为均匀取向的 PGP 层；(e) PGPE 的 Micro-CT 3D 图像，证实 PGP 沿厚度方向垂直贯穿环氧树脂基体；(f) PGPE₂₈的共聚焦激光表面形貌图，表面粗糙度 Sa=3.44 μm；(g) PGPE₂₈的压缩应力 – 应变曲线，展现低模量特性；(h)-(i) PGPE 的柔韧性演示，可实现弯曲与折叠。

图3. PGPE 的热学性能表征。(a) 不同 PGP 体积分数的 PGPE 样品面外热扩散系数与热导率，随 PGP 含量线性增长，PGPE₃₅热导率达 456.04 W/(m・K)；(b) 不同装配压力下 PGPE 样品的总热阻，压力升高热阻显著降低，PGPE₂₈在 100 PSI 下热阻最低；(c) PGPE₂₈的面内与面外导热系数对比，面外导热（331.51 W/(m・K)）远高于面内（1.14 W/(m・K)）；(d) PGPE₂₈相对于环氧树脂的导热增强因子，面外增强 2688 倍，面内增强 12.87 倍；(e) 纯环氧树脂与 PGPE₂₈的稳态温度分布模拟，PGPE₂₈面外方向温度上升显著更低；(f) 本研究 PGPE 与其他碳基热界面材料、金属材料的导热系数 – 压缩模量对比，PGPE 实现高导热与低模量的平衡；(g) PGPE 与商用热界面材料、高导热块体材料、金属的导热系数 – 密度对比，PGPE 兼具低密与高导热优势；(h) EP、PGPE₁₄与 PGPE₂₈的加热过程瞬态表面温度演变，PGPE₂₈升温最快，120 s 时达 97.1℃；(i)-(j) 不同 PGP 分散均匀性的热源平均 / 最高温度及稳态温度分布模拟，均匀分散体系无明显热点，温度最低。

图4. PGPE 的散热性能与稳定性测试。(a) 水冷散热测试系统示意图：陶瓷加热器为热源，TIM 夹于加热器与铜基微通道散热器之间，冷却液循环散热；(b) 60 W 功率下，Cu、HD90000 商用热垫与 PGPE₂₈作为 TIM 时的热源温度演变，PGPE₂₈稳态温升仅 19.3℃，远低于 HD90000（44.4℃）与 Cu（83.9℃）；(c) 三种 TIM 的总热阻拟合结果，PGPE₂₈总热阻最低（0.23 K・cm²/W）；(d) 宏观与微观尺度界面温度分布模拟，PGPE₂₈实现连续均匀热流传输；(e) 变功率加载下热源温度演变，PGPE₂₈全程温度最低；(f) 加热功率与热源温度的线性关系及等效冷却系数，PGPE₂₈冷却系数达 2.69 W・cm⁻²・K⁻¹；(g) 10000 次热震循环后 PGPE₂₈的温度稳定性，无明显温升；(h) 60 W 功率下 8 小时连续运行测试，PGPE₂₈稳态温度稳定在 45.6±0.2℃。

图5. 器件级热管理性能评估。(a) LED 模块在无 TIM、HD90000 与 PGPE₂₈条件下的表面温度演变，PGPE₂₈组稳态温度 50.6℃，较 HD90000 低 6.6℃；(b) 对应 LED 模块的红外热成像图，PGPE₂₈组温度分布最均匀；(c) CPU 散热测试装置示意图：TIM 夹于 CPU 与风冷散热器之间；(d) CPU 满负荷时不同 TIM 的温度演变，PGPE₂₈组稳态温度 65.2℃，优于 HD90000 与商用导热硅脂；(e)-(g) 风扇低转速故障条件下，三种 TIM 对应的 CPU 温度与主频演变，PGPE₂₈组温度最低、稳定性最优；(h)-(j) 风扇完全失效条件下，三种 TIM 的 CPU 温度与主频演变，PGPE₂₈组最晚出现主频节流（548 s），容错性最强。

来源：Advanced Functional Materials ( IF:19 )

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.74794