告别硅脂泵出与热失效：石墨烯基 TIMs 的制备与结构调控最新综述

石墨烯网 • 2026年11月8日 07:27 • 科研进展 • 阅读 15

背景

随着电子器件不断向小型化、高功率密度发展，散热已成为制约其性能提升的关键瓶颈。芯片与散热器的真实接触表面并非理想平整，而是存在从纳米到微米尺度的刚性粗糙起伏，即使在高贴合压力下也无法实现紧密接触——实际接触面积仅占表观面积的1%–2%，其余微米级空隙被热导率仅约0.026 W/m·K的空气填充，由此产生巨大的界面热阻，导致热量在界面处积聚、局部过热。热界面材料（TIMs）作为传热桥梁，填充间隙并以更低的总热阻取代高接触热阻，是电子设备热管理中不可或缺的一环。

然而，传统颗粒填充型TIMs存在逾渗阈值高（形成连续导热网络所需的最小填料分数）、面外热导率差、力学性能不足等问题；提高填充量虽可强化导热，却导致复合材料硬化、压缩回弹与界面贴合性下降。石墨烯兼具超高本征热导率（无损单层可达3000–5300 W/m·K）、柔性与结构可调控性，成为新一代高性能TIMs的理想填料；但其二维片层各向异性明显，片层水平取向时面外导热严重退化。如何构建三维连续且垂直取向的导热网络，成为该领域亟待解决的核心问题。

成果掠影

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室的任文才团队，围绕石墨烯基热界面材料（TIMs）的制备与结构调控撰写了系统综述，从”三维连续导热网络+垂直高度取向结构”协同构建的角度，破解了”高导热与高柔性难以兼得”的难题。该综述首先梳理了石墨烯的结构—制备工艺—热导率关系：机械剥离石墨烯纳米片（GNPs）结晶度高、缺陷少，但表面惰性强、易团聚；CVD石墨烯结晶质量最高，可在泡沫金属模板上原位生长整体连续的三维骨架，最大限度降低片间界面热阻；氧化石墨烯（GO）分散性与组装能力优异，但需经2000–3000 °C高温石墨化修复晶格缺陷后，膜材面内热导率方可恢复至1700 W/m·K以上。

在此基础上，综述对比了五大主流构筑策略的最新进展：水热组装、冷冻干燥、3D打印、多孔模板与高结晶石墨烯膜垂直阵列。代表性成果包括：定向冷冻结合高温石墨化制备的仿珍珠层石墨烯气凝胶/环氧复合材料，在仅2.30% (v/v)的低负载下面外热导率达20.0 W/m·K，为纯环氧树脂的100倍；聚合物沉积模板结合辊压取向制备的垂直取向石墨烯骨架/环氧复合材料，在13.3% (v/v)负载下面外热导率高达62.4 W/m·K，并在5–50 W/cm²高低功率交替冲击3000次循环后散热性能无衰减；石墨烯膜缠绕/堆叠-切割-90°旋转工艺则将面外热导率推至数百W/m·K量级（最高621.4 W/m·K），同时压缩模量低至8.2 MPa，兼具高导热与高柔顺。

展望部分，团队指出三大待解难题：高导热、高回弹与结构稳定的协同设计；规避聚合物高温蠕变、渗油老化的全无机型柔性石墨烯TIMs；以及面向5G射频功放、毫米波芯片等数十微米级封装间隙的微米级超薄热垫精准制备。该综述为高性能TIMs的基础研究与产业应用提供了系统性参考。研究成果以”Research progress in the preparation and structural control of graphene-based thermal interface materials”为题，发表于《New Carbon Materials》期刊。