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浙江大學Chao Gao和Yingjun Liu課題組--雙場協同取向工程規模化制備柔性金屬級導熱的石墨烯纖維基熱界面材料

高性能導熱界面材料（TIM）是大功率電子設備加速散熱的理想材料。然而，填料增強型熱界面材料在實現高熱導率和出色的順應性之間存在固有的權衡沖突，導致現有熱界面材料解決方案的界面傳熱效率不盡人意。在此，作者報告了基于石墨烯纖維（GF）的彈性 TIM，該 TIM 通過機械-電氣雙場協同配向工程實現了金屬級別的熱導率。與最先進的碳纖維（CF）相比，石墨烯纖維具有高達 ∼1200 W m^-1 K^-1 的超高導熱率和出色的柔韌性。在雙場協同配向調節下，GF 垂直配向良好（0.88），陣列密度高（33.5 mg cm^-2），形成連續的導熱通道。即使填料含量低至 17 wt %，GF 基 TIM 也能實現高達 82.4 W m^-1 K^-1 的超高通面熱導率，超過大多數 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，壓縮循環后的回彈率高達 95%，接觸熱阻低至 7.4 K mm² W^-1。我們的研究結果為導熱柔性 GF 的定向組裝提供了一個極好的范例，從而實現了可擴展的高性能 TIM，克服了 TIM 設計中長期存在的機械熱不匹配瓶頸。

Fig 1. GF-TIM 的制造和表征。連續的 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）、銅和鋁的導熱性比較。(e) 通過雙場協同配向工程制備 GF-TIM 的示意圖。(f) GF-TIM、CF/FKM 和 CF/RTV₁₀₁₀ 的整體性能比較，包括熱導率、壓縮順應性、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. 光纖陣列的結構特征和定向原理。(a) 以傳統恒定電場方式施加的場強。示意圖 (b) 和高速相機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度。示意圖 (f) 和高速相機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度的關系。(j) 機械場定向策略示意圖。(k) 陣列密度和取向度與拉伸比的關系。(l) 與 CF/FKM 和 CF/RTV₁₀₁₀ 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 表示是否使用了機械場定向策略，1 表示使用了，0 表示未使用。

Fig 3. GF-TIM 的導熱性。(a) 不同 GF 含量下 GF-TIM 的導熱系數（K）。(b) GF-TIM 導熱系數（K）與溫度的關系。插圖顯示了 GFTIM 的熱擴散和比熱容與溫度的關系。(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熱填料的 TIMs 的比較。(d) GF-TIM 在 27 至 80℃ 循環加熱負載下的 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傳熱能力的測試配置。

Fig 4. GF-TIM 的機械性能。(a) GF-TIM 和商用 CF-TIM 的壓縮應力-應變曲線。(b) GF-TIM 的熱導率隨壓縮應變的變化。(c) 與其他材料相比，本作品的壓縮模量和熱導率。(d) GF-TIM 在相同壓縮應變下經過壓縮循環后的厚度和熱穩定性變化。100 次壓縮循環前后 GF-TIM （f）和 CF-TIM （g）的掃描電鏡圖像。(h) 20% 應變時 GF-TIM 和商用 CF-TIM 的應力松弛行為。

Fig 5. 電子設備中 GF-TIM 的冷卻性能。(a) TIM 性能測量系統配置示意圖。
(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關系。 (d) 隨著輸入功率的增加，加熱器表面溫度的變化。(e) 陶瓷加熱器在循環熱負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率與（b）中加熱器的穩定溫度的關系。(h) 基于有限元分析的散熱能力比較。

相關研究工作由浙江大學Chao Gao和Yingjun Liu課題組于2024年共同發表在《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

轉自《石墨烯研究》公眾號



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