随著(zhe)半導體器件功率密度的提高，“散熱”已經(jīng)成(chéng)爲阻礙電子設備性能(néng)和壽命的首要問題。據統計，電子器件的溫度每升高10℃-15℃，其相應的使用壽命將(jiāng)會降低50%。因此，開(kāi)發(fā)用于高功率密度熱管理的高性能(néng)熱界面(miàn)材料顯得尤爲重要。
近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所表面(miàn)事(shì)業部功能(néng)碳素材料團隊與合作者制備了一種(zhǒng)基于石墨烯紙的高性能(néng)熱界面(miàn)材料。該材料的制備流程如圖1a所示：首先采用正矽酸乙酯（TEOS）于弱堿性環境中水解的方法在氧化石墨烯（GO）表面(miàn)修飾納米二氧化矽顆粒（SiO2 NPs）；然後(hòu)將(jiāng)得到的GO/SiO2 NPs與石墨烯粉末混合，并采用抽濾的方法制備複合石墨烯薄膜，實現納米尺度的矽源（SiO2 NPs）均勻分布于石墨烯層間；最後(hòu)對(duì)該複合石墨烯薄膜進(jìn)行快速熱處理，將(jiāng)矽源原位轉化成(chéng)碳化矽納米線，得到具備碳化矽-石墨烯複式結構的石墨烯紙（Graphene hybrid paper，GHP），其斷面(miàn)結構如圖1b所示。
由于連接于石墨烯層間的碳化矽納米線形成(chéng)了縱向(xiàng)的導熱通路，GHP的縱向(xiàng)熱導率（10.9W/mK）相對(duì)于石墨烯紙（GP，6.8W/mK）提高了60%。另外，如圖1c所示，在75psi的壓應力下，壓縮狀态下GHP的縱向(xiàng)熱導率被(bèi)進(jìn)一步提高到17.6W/mK，高于傳統的石墨烯紙以及大部分的商用熱界面(miàn)材料，包括導熱矽膠墊，導熱矽脂以及導熱凝膠等（圖1d）。
在實際的熱界面(miàn)性能(néng)評測實驗中，以GHP爲熱界面(miàn)材料的系統溫降高達18.3℃，超過(guò)商用熱界面(miàn)材料溫降（8.9℃）的兩(liǎng)倍，散熱效率相提高了27.3%，實驗結果如圖2a-c所示。圖2d-e爲CFD仿真軟件對(duì)散熱過(guò)程的模拟，結果顯示：GHP不僅有著(zhe)較高的縱向(xiàng)熱導率，其接觸熱阻也低于主流的商用導熱墊。另外，相對(duì)于矽膠基的商用熱界面(miàn)材料，GHP完全由無機的碳化矽和石墨烯組成(chéng)，擁有更好(hǎo)的熱穩定性及環境适應性。目前相關的工作已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07337) 。
該研究工作獲得國(guó)家重點研發(fā)計劃(2017YFB0406000)、中科院裝備（YZ201640）、甯波市重大專項（2016S1002和2016B10038）以及甯波市國(guó)際合作（2017D10016）的資助。
圖1 GHP的制備流程及相關的結構、性能(néng)表征
圖2 GHP的熱界面(miàn)性能(néng)測試及仿真
（表面(miàn)事(shì)業部 代文）
