随着电子设备日益轻薄高功率，散热问题愈发严峻。理想的导热界面材料（TIM）需兼具优异的垂直导热能力与良好的柔性贴合度。石墨片是平面内的“导热冠军”，但传统共混时它们无序堆叠，热量在垂直方向传输需“绕道”聚合物基体，效率低下。复旦大学陈敏教授研究团队开发了“磁取向和非溶剂诱导相分离（M-NIPS）”策略，巧妙结合磁取向与非溶剂诱导相分离技术，成功制备出石墨/硅橡胶柔性复合薄膜。该策略首先赋予石墨片磁性，使其在磁场下垂直“站立”；同时利用相分离过程“冻结”此结构，形成垂直有序的宏观骨架；再经2800°C高温“焊接”，在片间构筑高导热的碳桥，最终形成坚固、连续的三维导热网络。所得材料在仅添加7.5 wt%石墨时，垂直热导率高达33.2 W m⁻¹ K⁻¹，是基体的165倍，且柔韧可折叠。这项工作为可折叠设备、高功率芯片的热管理提供了高性能解决方案。
如何让“导热冠军”立起来传热？
二维片状填料（如石墨、氮化硼）具有显著的各向异性导热特性：热量在其平面内传导极快，但垂直穿过其片层则十分困难。
为在垂直方向（厚度方向）构建高效传热路径，关键在于让这些“二维薄片”全部沿厚度方向垂直、定向排列，并通过强物理/化学作用使其相互紧密连接，形成从一面贯穿到另一面的连续、低热阻通路。
M-NIPS的“排列”与“定型”两步法
研究团队设计的“M-NIPS”策略，是一种能同时控制微观排列与宏观结构的方法，包含两个核心步骤：
- 磁取向指挥排列：通过溶剂热法在石墨片表面修饰四氧化三铁纳米颗粒，使其具有磁性响应性。随后，在垂直磁场作用下，每片磁性石墨（mGF）受到磁力矩驱动，迅速调整至与外磁场方向一致，实现微观尺度上整齐的垂直排列。
- 相分离锁定结构：在维持磁场的同时，将包含mGF和聚合物（聚丙烯腈，PAN）的溶液刮膜，并浸入水（非溶剂）中。溶剂（DMSO）与水快速交换，触发PAN发生瞬时相分离，凝固形成具有垂直贯通孔道的自支撑三维骨架。这个骨架将磁场诱导的微观排列“锁定”为稳定的宏观有序结构。
电镜图清晰地展示了最终骨架的结构：石墨片（图中明亮的条状物）在垂直方向上紧密排列，形成了贯穿上下的连续阵列，验证了策略的有效性。仅靠PAN固定的骨架机械强度和导热性有限。团队进行了关键的后处理：2800°C的惰性气氛高温热处理。此过程中，PAN被碳化并进一步石墨化，转化为高导热的石墨碳。更重要的是，这些源自PAN的碳在相邻垂直排列的石墨片之间形成牢固的“碳桥”（Carbon Bridges），将它们紧密“焊接”在一起。最终得到的是一个高度石墨化、由共价“焊桥”互联的致密三维连续网络，极大增强了声子（热量载体）传输的连贯性与效率。
高温“焊接”铸就坚固网络
通过广角X射线散射定量分析，M-NIPS骨架中石墨片的赫尔曼取向参数高达0.41，远高于无磁场辅助的NIPS对照组（0.29），证实了磁场所诱导的高度垂直取向。用柔性硅橡胶填充该骨架后，所得复合薄膜在填料含量仅为7.5 wt%的极低负载下，垂直热导率达到33.2 W m⁻¹ K⁻¹，是纯硅橡胶基体（0.2 W m⁻¹ K⁻¹）的165倍。其“比热导增强”效率高达2200% per wt%，意味着每添加1%的石墨，热导率平均提升22倍，其增强效率在同类材料中位居前列。
柔韧与稳定兼具
- 可观的强度与韧性：随着石墨含量增加，薄膜的拉伸模量和强度系统性提升，但即使在高含量下，材料仍保持显著的可拉伸性（如7.5 wt%样品断裂伸长率>16%），证明其兼具支撑性与柔韧性，可适应一定形变。
- 低热膨胀系数：材料的热膨胀系数（CTE）随填料增加而降低。在7.5 wt%以上，其CTE在125°C时低于93.5 ppm/K，与许多电子元件相匹配，可减少因热胀冷缩产生的界面应力，提升长期可靠性。
- 出色的弹性回复：纳米压痕测试显示，所有样品在受压后卸载曲线均完全回弹至原点，表现出近乎完美的弹性恢复能力。这意味着它在反复受压或弯折后能保持形状与紧密接触，这是作为可靠TIM的关键。
- 压力下的性能保持：即使经过高达700 kPa的压力循环加载，薄膜的垂直热导率仅下降约10%，展现出良好的结构稳定性和抗压性能保持率。
面向可折叠电子的柔性散热验证
研究模拟了折叠设备中发热元件的工作状态。在发热膜与散热器之间放置该复合薄膜作为TIM，测试其在不同弯曲角度下的散热效果。结果显示，即使在完全对折（180°）的严苛条件下，使用该薄膜也能将热源稳态温度显著降低（例如从103°C降至94°C）。这得益于材料良好的柔顺性，使其在弯曲时仍能与界面紧密贴合，保持低热阻。
该研究应用一种结合磁取向与非溶剂诱导相分离（M-NIPS）策略，制备了高性能柔性石墨/硅橡胶导热复合材料。该策略实现了石墨片在基体中的高度垂直取向与长程连续互连，构建了高效的垂直导热通路。该工作不仅为可折叠及高功率密度电子设备的热管理提供了理想的界面材料解决方案，其揭示的“取向控制-结构构筑”协同设计范式，也为开发下一代高性能各向异性功能复合材料提供了新的思路。
原文链接：
Jun Jin, Yang Su, Jiachen Guo, Yufeng Shen, Minghui Zhang, Xiaozhou Sun, Bo Peng, Min Chen, Limin Wu, Magnetic alignment meets phase separation: Fabricating flexible graphite/silicone rubber films with high through-plane thermal conductivity, Carbon, 254, 121468 (2026)
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121468
通讯作者信息
陈敏，复旦大学材料科学系教授。主要研究方向为有机-无机胶体粒子组装与超结构调控、胶体微球及空心微球在光电与能源领域的应用、高性能纳米复合材料开发、柔性导热材料、功能聚合物薄膜与涂层等。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、NSFC-AF(芬兰)国际合作与交流项目、国家重点研发子课题及上海市曙光计划、启明星项目等科研项目。2014年获上海市自然科学一等奖（第二完成人），2015年入选IUPAC—江教授新材料青年奖，2020年获上海市巾帼创新新秀奖及三八红旗手称号 。此外，还曾获全国百篇优秀博士论文、上海市科技启明星、复旦大学“卓学”及“卓识”人才等荣誉。在《Advanced Materials》《Chemical Society Reviews》《Chemistry of Materials》等期刊发表多篇论文，包括在仿生刺体微球、氮化硼基柔性导热材料等领域的代表性研究成果
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