导热突破 130.6 W/m·K ！超高贯通导热石墨阵列热界面材料

背景介绍

电子器件功率密度的持续攀升，对先进热界面材料（TIMs）提出了迫切需求。基于石墨阵列的TIMs（GRTs）虽已引起广泛关注，但实现其理论高性能仍需精确的微观结构控制。结构模型表明，减小石墨片层厚度可增加有效热通道的密度，这是提升GRT性能的关键。本文开发了一种水合肼辅助发泡策略，用于氧化石墨烯纸的微观结构工程。通过系统调控水合肼浓度，实现了对衍生石墨纸中片层厚度的精确控制，从而直接决定了最终GRT结构中的热通道密度。这种结构优势在垂直阵列中形成了更高密度的热通道，使最优GRT样品实现了0.057℃·cm²/W的超低总热阻和130.6 W/(m·K)的高贯通面导热系数。本研究建立了GRT的基本构效关系，揭示了热性能关键取决于微纳尺度导电网络的结构设计。所提出的策略为制造先进热管理解决方案提供了一条有前景且可规模化的途径，以满足下一代高功率电子器件日益增长的散热需求。

研究成果

近日，清华大学深圳国际研究生院杜鸿达研究员(通讯作者)，郭志军(第一作者)团队开发水合肼辅助发泡氧化石墨烯纸（GOP）的微结构调控策略。通过调控水合肼浓度精准减薄石墨片层，制备垂直石墨阵列热界面材料（GRT）；发泡过程剥离氧化石墨片层，退火后片层最低可达 30 nm，大幅提升阵列内热通道数量密度。最优 10HGT 样品总热阻低至 5.7×10⁻⁶ m²·K/W，贯通面导热系数达 130.6 W/(m·K)；125 ℃高温 200 h 老化后性能波动不足 10%，热稳定性优异。红外测温证实其传热速率远优于未发泡对照样品。研究阐明石墨片层厚度 – 热通道密度 – 导热性能构效关系，发泡工艺简便易量产，为下一代高功率电子高性能热界面材料提供全新制备路线，相关成果以《Foaming-induced structural engineering of graphite arrays for high-density thermal pathways in thermal interface materials》发表于《Applied Physics Letters》期刊。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0314455

图文速览

图1. 高密度薄片层石墨阵列热界面材料制备与传热仿真示意图。(a) 传统石墨纸堆叠、热压、切片制备 GRT 完整工艺流程；(b) 商用 GRT 实际截面微观 SEM 形貌（片层切割端天然形成弯曲结构）；(c) 片层厚度 5 μm、1 μm 两种 GRT 有限元仿真温度场分布与对应总热阻；(d) 普通氧化石墨纸、发泡氧化石墨纸两条路线制备厚 / 薄片层石墨阵列的对比示意图。

图2. 氧化石墨片层与高温退火后石墨片层横截面SEM图像及对应片层厚度(a)–(e) 原始 GOP、5%/10%/15%/20% 水合肼发泡氧化石墨纸横截面形貌与片层厚度；(f)–(j) 对应样品经 2800 ℃高温退火后石墨纸横截面及单片石墨层厚度。

图3.(a) SEM观察位置；(b) GT、(c) 5HGIT、(d) 10HGIT、(e) 15HGIT和(f) 20HGIT的表面及横截面形貌。

图4. 各组 GRT 热学性能与红外升温表征。(a) 80 ℃下全部 GRT 样品总热阻 R_Total 与贯通面导热系数 κ 柱状图；(b) 最优样品 10HGT 在 110 ℃及 125 ℃老化 200 h 后的热阻、导热系数变化；(c) GT、10HGT、20HGT 三组样品加热过程温度随时间变化曲线；(d) 同等加热时长下三组样品对应的红外热成像对比图。