具有超低热阻和刚度的3D石墨烯-纳米线“三明治”热界面材料

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背景介绍

柔性电子产品已经应用于照明、显示、可穿戴传感器、植入式电子器件以及软机器人等领域，正在改变着人们与周围环境的交互方式。然而，散热已经成为材料体系高度异构的柔性电子器件的一个关键挑战，限制了它们的性能和可靠性。

电子器件的被动和主动冷却解决方案近年都取得了进步，但由于界面处固有的材料差异和表面粗糙度，材料之间的界面通常已成为热传导的关键障碍。在许多情况下，界面处的热阻可构成从电子器件到散热介质总热阻的50%以上。

热界面材料（TIM）被广泛应用于界面的机械连接和热桥接。为了实现柔性电子和微电子的广泛应用，“理想的”热界面材料需要有高导热系数及最小化的热阻，并具有高度柔性以适应柔软和弯曲的表面，同时适应两种连接材料之间热膨胀不匹配引起的热应力。然而，传统的如焊料、硅脂、凝胶和环氧树脂等热界面材料，无法完全满足如此苛刻和严格的技术标准，焊料虽然有高热导率，但其机械适应性差。

聚合物基复合材料具有高适应性，但导热系数低。包括碳纳米管(CNTs)、纳米线(NWs)、石墨烯、纳米片和纳米纤维在内的大尺寸高纵横比纳米结构为制备导热和机械兼容的热界面材料提供了一个有前景的平台。但由于这些纳米结构本质上不具有粘附性或可焊接性，因此将这些纳米结构与具有连续界面和低接触热阻的目标基底物理连接仍然是一个突出的挑战。

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成果掠影

卡内基梅隆大学Sheng Shen团队研究展示了一种3D石墨烯纳米线“三明治”热界面，该界面可实现了约 0.24 mm2·K/W的超低热阻，比焊料的热阻小约1个数量级，比热润滑脂、凝胶和环氧树脂的热阻低几个数量级，以及如聚合物和泡沫一样的1 MPa低弹性模量和剪切模量。在−55°C至125°C的宽温度范围内，柔性3D“三明治”结构具有超过1000次循环的长期优异可靠性。这种纳米结构热界面材料可以使电子系统和器件极大地受益，允许它们在较低的温度或相同的温度下运行，且具有更高的性能和功率密度。研究成果以“3D Graphene-Nanowire “Sandwich” Thermal Interface with Ultralow Resistance and Stiffness”为题发表于《ACS NANO》。

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图文导读

图1. 柔性3D石墨烯纳米线“三明治”TIM。

图2. CuNWs and g-CuNWs 材料的EDS、Raman、XRD和接触角表征。

图3. CuNW 阵列、g-CuNW 阵列和3D“三明治”的力学特性。

图4. 3D 石墨烯-纳米线“三明治”TIM的热和可靠性表征测试。

(a)FDTR测量配置。(b)通过实验数据和最佳的最小二乘拟合传热模型，提取g-CuNWs的热导率和Cu基/g-CuNWs界面热阻。(c)“三明治”结构的热阻直方图。(d)焊接到柔性加热器上的3D“三明治”。(e,f)热红外测试，用于商业热浆料与具有相同尺寸的3D“三明治”TIM之间的比较。对于相同的加热器温度，由3D“三明治”连接的样品在靠近加热器的地方显示出更高的温度，因此，整体热阻比导热膏连接的热阻更低。(g)−55°C至125°C之间的热循环试验。右边的面板显示了代表性的温度循环剖面，左图显示了高度一致的>1000个温度循环，从而表明3D石墨烯-纳米线“三明治”热界面具有优异的长期稳定性。

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总结与展望

综上所述，本文展示了一种独立的、纸状的、柔性的3D石墨烯-纳米线“三明治”TIM，具有优异的可焊性，并具有超高的机械顺应性，其超低热阻比传统焊料小约1个数量级。从宽温度范围内的温度循环测试来看，3D“三明治”显示出良好的长期可靠性。由于大多数柔性电子器件（例如，在Kapton磁带上）和微电子器件都是可焊接的，因此本工作中演示的3D“三明治”TIM可应用于电子器件中的各种柔性和曲面，适用于先进的热管理、能量转换和能量收集技术。

审核编辑 ：李倩