石墨烯导热垫！磁‑离心双场协同！实现石墨烯填料高效垂直取向，构筑超高导热热界面材料

背景介绍

电子器件不断向小型化、高集成、高功率密度方向发展，热管理成为亟待解决的关键难题。热界面材料可填充界面间隙、构建导热通路，石墨烯是理想高导热填料，但二维片材易在基体中随机取向，受基体黏滞作用发生无序排布，大幅降低导热能力。现有取向手段多存在调控受限、填料分布不均等问题，亟需开发可独立精准调控填料取向的外场耦合新技术。

研究成果

近日，兰州大学拜永孝教授、高文生青年研究员、青海大学刘秉鑫副教授提出磁‑离心双外场耦合取向策略。该策略耦合旋转磁场与可调控离心体积力，依靠反向体积力构建稳定力场，驱动磁性改性石墨烯实现高有序垂直取向同时保障填料空间均匀分布。研究确定最优工艺条件，石墨烯 @四氧化三铁填料填充 35 wt% 时，硅橡胶基热界面材料面外导热系数可达 12.76 W/(m·K)，为无取向样品的 19 倍。该材料经 1000 次 30% 形变压缩循环导热性能保持稳定，硬度低至邵氏 A 42，用于 LED 散热可使芯片热点温度降低 26.20 ℃。该双力场属于体相力场，不依赖加工工艺，为各向异性高分子复合材料微结构调控提供全新方案。研究成果以“A Dual Magnetic-Centrifugal Field Strategy for Orienting Thermal Fillers in High Thermal Conductivity Composites” 为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77731

图文速览

图1. 单场、双场取向复合材料的热学与微观取向表征。(a) 不同外场条件制备复合材料的面外导热系数；(b) 复合材料 X 射线显微镜扫描图像；(c) 石墨烯片层角度分布云图；(d) 橡胶基体内部石墨烯纳米片取向角度统计；(e) 振动样品磁强计表征面内各向异性；(f) 随机取向、轴向取向和面内共面垂直取向石墨烯‑硅橡胶复合材料的有限元热仿真结果。

图2. Gr@M 磁性填料微观结构与磁性能，以及不同 Fe₃O₄/ 石墨烯质量比下复合材料热学与取向表征。(a) Gr@M 填料透射电镜形貌；(b,c) 不同四氧化三铁负载量 Gr@M 填料的饱和磁化强度；(d) 不同 Fe₃O₄/ 石墨烯质量比样品的面外导热系数；(e) Fe₃O₄/ 石墨烯质量比分别为 0.1、0.4、0.8 的热界面材料截面扫描电镜图；(f) 对应填料比例样品的振动样品磁强计测试曲线。

图3. 不同填料含量下离心力对导热、取向的影响以及体系黏度‑最优转速关联规律。(a) 不同填料添加量下复合材料导热性能；(b,c) 填料取向与离心场的关联；(d) 体系黏度与最优旋转转速的对应关系；(e) 不同黏度体系下 10 wt% 填料填充薄膜在不同转速下的导热性能。

图4. 复合材料的稳定性、力学以及热管理应用性能测试。(a,c) 复合材料压缩循环稳定性测试；(b) 材料热循环稳定性；(d) 不同填料填充量下复合材料邵氏 A 硬度；(e,f) 热界面材料的 LED 散热红外热成像与温度变化曲线；(g) 本工作与已报道文献中热界面材料性能对比。