高性能導(dǎo)熱界面材料（TIM）是大功率電子設(shè)備加速散熱的理想材料。然而，填料增強(qiáng)型熱界面材料在實現(xiàn)高熱導(dǎo)率和出色的順應(yīng)性之間存在固有的權(quán)衡沖突，導(dǎo)致現(xiàn)有熱界面材料解決方案的界面?zhèn)鳠嵝什槐M人意。在此，作者報告了基于石墨烯纖維（GF）的彈性 TIM，該 TIM 通過機(jī)械-電氣雙場協(xié)同配向工程實現(xiàn)了金屬級別的熱導(dǎo)率。與最先進(jìn)的碳纖維（CF）相比，石墨烯纖維具有高達(dá) ∼1200 W m
-1 K
-1 的超高導(dǎo)熱率和出色的柔韌性。在雙場協(xié)同配向調(diào)節(jié)下，GF 垂直配向良好（0.88），陣列密度高（33.5 mg cm
-2），形成連續(xù)的導(dǎo)熱通道。即使填料含量低至 17 wt %，GF 基 TIM 也能實現(xiàn)高達(dá) 82.4 W m
-1 K
-1 的超高通面熱導(dǎo)率，超過大多數(shù) CF 基 TIM，甚至可與常用的軟銦箔相媲美。得益于 GF 的低硬度，GF 基 TIM 的壓縮模量低至 0.57 MPa，壓縮循環(huán)后的回彈率高達(dá) 95%，接觸熱阻低至 7.4 K mm
2 W
-1。我們的研究結(jié)果為導(dǎo)熱柔性 GF 的定向組裝提供了一個極好的范例，從而實現(xiàn)了可擴(kuò)展的高性能 TIM，克服了 TIM 設(shè)計中長期存在的機(jī)械熱不匹配瓶頸。
Fig 1. GF-TIM 的制造和表征。連續(xù)的 GF 長絲（a）和切碎的 GF（b）的照片。(c) 具有高柔韌性的 GF 長絲。(d) 本研究中使用的 GF 長絲、CF、CNT 纖維（CNTF）、銅和鋁的導(dǎo)熱性比較。(e) 通過雙場協(xié)同配向工程制備 GF-TIM 的示意圖。(f) GF-TIM、CF/FKM 和 CF/RTV
1010 的整體性能比較，包括熱導(dǎo)率、壓縮順應(yīng)性、取向比例、陣列密度和填料含量。 GF 陣列 (GFA) (g)、致密化 GF 陣列 (DGFA) (h) 和 GF-TIM (i) 的橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(j) 大面積 GF-TIM 的照片。GF-TIM 具有出色柔韌性（k）、可加工性和可染色性（l）的照片。
Fig 2. 光纖陣列的結(jié)構(gòu)特征和定向原理。(a) 以傳統(tǒng)恒定電場方式施加的場強(qiáng)。示意圖 (b) 和高速相機(jī)拍攝的恒定電場下的取向過程快照 (c)。(d) 在恒定電場下制備的 GF 陣列的 SEM 圖像。(e) 按程序逐步增加電場強(qiáng)度。示意圖 (f) 和高速相機(jī)拍攝的在階躍電場中的取向過程快照 (g)。(h) 在階躍電場中制備的 GF 陣列的掃描電鏡圖像。(i) 陣列密度和取向度與電場強(qiáng)度的關(guān)系。(j) 機(jī)械場定向策略示意圖。(k) 陣列密度和取向度與拉伸比的關(guān)系。(l) 與 CF/FKM 和 CF/RTV
1010 相比，GF-TIM 的陣列密度和取向度 P。 (m) 四種不同工藝制備的 GF-TIM 的掃描電鏡圖像。(n) 四種 GF-TIM 的纖維軸與基底之間的角度分布，其中 S(x,y)，x 表示是否使用了階躍電場，y 表示是否使用了機(jī)械場定向策略，1 表示使用了，0 表示未使用。
Fig 3. GF-TIM 的導(dǎo)熱性。(a) 不同 GF 含量下 GF-TIM 的導(dǎo)熱系數(shù)（K）。(b) GF-TIM 導(dǎo)熱系數(shù)（K）與溫度的關(guān)系。插圖顯示了 GFTIM 的熱擴(kuò)散和比熱容與溫度的關(guān)系。(c) GF-TIM 的 K 值隨填料含量的變化與之前報道的含有不同導(dǎo)熱填料的 TIMs 的比較。(d) GF-TIM 在 27 至 80℃ 循環(huán)加熱負(fù)載下的 K 保持率。(e) TIM 的表面溫度隨時間的變化。插圖顯示了用于演示穿透平面?zhèn)鳠崮芰Φ臏y試配置。
Fig 4. GF-TIM 的機(jī)械性能。(a) GF-TIM 和商用 CF-TIM 的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) GF-TIM 的熱導(dǎo)率隨壓縮應(yīng)變的變化。(c) 與其他材料相比，本作品的壓縮模量和熱導(dǎo)率。(d) GF-TIM 在相同壓縮應(yīng)變下經(jīng)過壓縮循環(huán)后的厚度和熱穩(wěn)定性變化。100 次壓縮循環(huán)前后 GF-TIM （f）和 CF-TIM （g）的掃描電鏡圖像。(h) 20% 應(yīng)變時 GF-TIM 和商用 CF-TIM 的應(yīng)力松弛行為。
Fig 5. 電子設(shè)備中 GF-TIM 的冷卻性能。(a) TIM 性能測量系統(tǒng)配置示意圖。
(b, c) 在功率為 22.5 W cm
-2 時，陶瓷加熱器的溫度變化與加熱時間的函數(shù)關(guān)系。 (d) 隨著輸入功率的增加，加熱器表面溫度的變化。(e) 陶瓷加熱器在循環(huán)熱負(fù)荷測試中的溫度變化。(f) GF-TIM 和商用 CF-TIM 在不同壓力下的總熱阻。(g) 計算得出的總熱阻和有效熱導(dǎo)率與（b）中加熱器的穩(wěn)定溫度的關(guān)系。(h) 基于有限元分析的散熱能力比較。
相關(guān)研究工作由浙江大學(xué)Chao Gao和Yingjun Liu課題組于2024年共同發(fā)表在《ACS NANO》期刊上，Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering，原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c04349
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
