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中科院宁波材料所制备了一种基于石墨烯纸的高性能热界面材料

发布时间:2019-07-09 09:00:19     点击次数: 次
石墨烯作为一种目前世界上研究最广范的二维材料之一,在面内方向具有极高的热导率(3,500 – 5,300W/mK),那么,有无可能利用石墨烯优异的导热性能来对电子元器件进行有效的热管理呢?

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素材料团队与合作者制备了一种基于石墨烯纸的高性能热界面材料。近年来,随着电子器件朝着轻、薄、短、小方向发展,但其各种组件(如CPU、GPU等)的功率却越来越大,其工作温度也相对之前大幅度提高,但是高温会对电子组件的稳定性、可靠性和寿命产生有害影响。过高的温度会危及电路连接点,增加阻值,并造成热应力损伤,热失效导致的电子器件故障占总故障的55%。统计显示电子元件工作温度每提升10 – 15 °C,使用寿命将降低一半。因此,确保电子元器件所产生的热量能够及时移除,己经成为电子产品系统设计与组装的一个重要考虑因素,特别对于集成程度和组装密度都较高的便携式电子产品(如笔记本电脑和手机等),散热甚至成为了整个产品的主要技术瓶颈。

在热源与热沉之间由于存在微米尺度的粗糙度,其中充满了空气(0.03 W/mK),即使施加了很大的封装压力,也无法实现热源与热沉之间的无缝接触,在一般封装条件下,热源与热沉的实际接触面积只有接合面积的10%,严重阻碍了热传导,使界面热阻抗增加,最终造成散热效能低下。目前主要是用一种柔软易形变的材料填充于热源与热沉界面间,充当热传递的桥梁,称之为热界面材料(Thermal Interface Material,TIM),见图1。导热垫是一种具有一定导热性能的弹性的固态材料,具有选材多样性,适用范围广,易于清理,现已广泛应用于电子产品的散热管理应用。目前商用导热垫主要是使用高导热陶瓷填料(如氧化铝、氮化铝、氮化硼等)与硅胶基底混合而成,其导热系数普遍小于7 W/mK,越来越难以适应日益增长的散热需求。


图1. (a)热界面材料的运作原理与(b)应用实例

中科院宁波材料所团队研发的石墨烯/碳化硅纳米线复合热界面材料(GHP)很好的解决了热界面材料需要兼顾面外高热导率与良好压缩性能的瓶颈问题,制备流程见图2a。目前,具有面内高热导率的石墨烯纸(匀热膜),已被应用于各种电子设备的热管理用途。然而,由于石墨烯纸的面外导热系数较低(< 6 W/mK),限制其作为热界面材料的使用。

在该研究中,通过在石墨烯层间预先嵌入氧化硅纳米粒子,在进行碳热还原反应,使石墨烯片层间原位生长出导热性能较好的碳化硅纳米线,其断面结构如图2b所示。由于石墨烯/碳化硅纳米线的界面为碳–硅共价键,在75 psi的封装压力下(如图2c)所示,GHP的面外热导率(17。6 W/mK)相对于石墨烯纸提高了三倍之多,也高于常用的商用热界面材料,包括导热硅胶垫、导热硅脂以及导热凝胶等(图2d)。


图2. (a)GHP的制备流程;(b)石墨烯纸和GHP的横截面SEM图;(c)75 psi下石墨烯纸和GHP的热导率图;(d)GHP与既有热界面材料的面外热导率对比图。

在实际的热界面性能评测实验中,以GHP为热界面材料的系统温降达到了18.3 °C,是商用热界面材料温降(8.9 °C)的两倍多,如图3a–c所示。通过仿真软件对散热过程的模拟(图3d–e),结果显示:GHP不仅有着较高的面外热导率,其接触热阻也低于主流商用导热垫。另外,相对于硅胶基热界面材料,GHP是由无机的石墨烯与碳化硅组成,因此拥有更好的热稳定性及工作温度适应性。


图3。 (a)TIM材料性能评估系统原理图 3;(b)30W功率下加热器温度变化图;(c)不同功率下加热200s后加热器温度图;(d)(e)基于模拟计算的热界面材料有效热导率与散热能力比较。

相关的工作已经发表在ACS Nano 上,文章第一作者是中国科学院大学博士研究生代文。

研究工作获得了国家重点研发计划(2017YFB0406000)、中科院重大装备研制项目(YZ201640)、宁波市重大专项(2016S1002和2016B10038)以及宁波市国际合作项目(2017D10016)等资助。


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