高性能导热界面材料（TIM）是大功率电子设备加速散热的理想材料。然而，填料增强型热界面材料在实现高热导率和出色的顺应性之间存在固有的权衡冲突，导致现有热界面材料解决方案的界面传热效率不尽人意。在此，作者报告了基于石墨烯纤维（GF）的弹性 TIM，该 TIM 通过机械-电气双场协同配向工程实现了金属级别的热导率。与最先进的碳纤维（CF）相比，石墨烯纤维具有高达 ∼1200 W m^-1 K^-1 的超高导热率和出色的柔韧性。在双场协同配向调节下，GF 垂直配向良好（0.88），阵列密度高（33.5 mg cm^-2），形成连续的导热通道。即使填料含量低至 17 wt %，GF 基 TIM 也能实现高达 82.4 W m^-1 K^-1 的超高通面热导率，超过大多数 CF 基 TIM，甚至可与常用的软铟箔相媲美。得益于 GF 的低硬度，GF 基 TIM 的压缩模量低至 0.57 MPa，压缩循环后的回弹率高达 95%，接触热阻低至 7.4 K mm² W^-1。我们的研究结果为导热柔性 GF 的定向组装提供了一个极好的范例，从而实现了可扩展的高性能 TIM，克服了 TIM 设计中长期存在的机械热不匹配瓶颈。
 
 
Fig 1. GF-TIM 的制造和表征。连续的 GF 长丝（a）和切碎的 GF（b）的照片。(c) 具有高柔韧性的 GF 长丝。(d) 本研究中使用的 GF 长丝、CF、CNT 纤维（CNTF）、铜和铝的导热性比较。(e) 通过双场协同配向工程制备 GF-TIM 的示意图。(f) GF-TIM、CF/FKM 和 CF/RTV₁₀₁₀ 的整体性能比较，包括热导率、压缩顺应性、取向比例、阵列密度和填料含量。 GF 阵列 (GFA) (g)、致密化 GF 阵列 (DGFA) (h) 和 GF-TIM (i) 的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(j) 大面积 GF-TIM 的照片。GF-TIM 具有出色柔韧性（k）、可加工性和可染色性（l）的照片。
 

Fig 2. 光纤阵列的结构特征和定向原理。(a) 以传统恒定电场方式施加的场强。示意图 (b) 和高速相机拍摄的恒定电场下的取向过程快照 (c)。(d) 在恒定电场下制备的 GF 阵列的 SEM 图像。(e) 按程序逐步增加电场强度。示意图 (f) 和高速相机拍摄的在阶跃电场中的取向过程快照 (g)。(h) 在阶跃电场中制备的 GF 阵列的扫描电镜图像。(i) 阵列密度和取向度与电场强度的关系。(j) 机械场定向策略示意图。(k) 阵列密度和取向度与拉伸比的关系。(l) 与 CF/FKM 和 CF/RTV₁₀₁₀ 相比，GF-TIM 的阵列密度和取向度 P。 (m) 四种不同工艺制备的 GF-TIM 的扫描电镜图像。(n) 四种 GF-TIM 的纤维轴与基底之间的角度分布，其中 S(x,y)，x 表示是否使用了阶跃电场，y 表示是否使用了机械场定向策略，1 表示使用了，0 表示未使用。
 

Fig 3. GF-TIM 的导热性。(a) 不同 GF 含量下 GF-TIM 的导热系数（K）。(b) GF-TIM 导热系数（K）与温度的关系。插图显示了 GFTIM 的热扩散和比热容与温度的关系。(c) GF-TIM 的 K 值随填料含量的变化与之前报道的含有不同导热填料的 TIMs 的比较。(d) GF-TIM 在 27 至 80℃ 循环加热负载下的 K 保持率。(e) TIM 的表面温度随时间的变化。插图显示了用于演示穿透平面传热能力的测试配置。
 

Fig 4. GF-TIM 的机械性能。(a) GF-TIM 和商用 CF-TIM 的压缩应力-应变曲线。(b) GF-TIM 的热导率随压缩应变的变化。(c) 与其他材料相比，本作品的压缩模量和热导率。(d) GF-TIM 在相同压缩应变下经过压缩循环后的厚度和热稳定性变化。100 次压缩循环前后 GF-TIM （f）和 CF-TIM （g）的扫描电镜图像。(h) 20% 应变时 GF-TIM 和商用 CF-TIM 的应力松弛行为。
 

Fig 5. 电子设备中 GF-TIM 的冷却性能。(a) TIM 性能测量系统配置示意图。
(b, c) 在功率为 22.5 W cm^-2 时，陶瓷加热器的温度变化与加热时间的函数关系。 (d) 随着输入功率的增加，加热器表面温度的变化。(e) 陶瓷加热器在循环热负荷测试中的温度变化。(f) GF-TIM 和商用 CF-TIM 在不同压力下的总热阻。(g) 计算得出的总热阻和有效热导率与（b）中加热器的稳定温度的关系。(h) 基于有限元分析的散热能力比较。
 
       相关研究工作由浙江大学Chao Gao和Yingjun Liu课题组于2024年共同发表在《ACS NANO》期刊上，Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering，原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c04349

转自《石墨烯研究》公众号