具有超低熱阻和剛度的3D石墨烯-納米線“三明治”熱界面材料

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背景介紹

柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于照明、顯示、可穿戴傳感器、植入式電子器件以及軟機(jī)器人等領(lǐng)域，正在改變著人們與周圍環(huán)境的交互方式。然而，散熱已經(jīng)成為材料體系高度異構(gòu)的柔性電子器件的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，限制了它們的性能和可靠性。

電子器件的被動(dòng)和主動(dòng)冷卻解決方案近年都取得了進(jìn)步，但由于界面處固有的材料差異和表面粗糙度，材料之間的界面通常已成為熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵障礙。在許多情況下，界面處的熱阻可構(gòu)成從電子器件到散熱介質(zhì)總熱阻的50%以上。

熱界面材料（TIM）被廣泛應(yīng)用于界面的機(jī)械連接和熱橋接。為了實(shí)現(xiàn)柔性電子和微電子的廣泛應(yīng)用，“理想的”熱界面材料需要有高導(dǎo)熱系數(shù)及最小化的熱阻，并具有高度柔性以適應(yīng)柔軟和彎曲的表面，同時(shí)適應(yīng)兩種連接材料之間熱膨脹不匹配引起的熱應(yīng)力。然而，傳統(tǒng)的如焊料、硅脂、凝膠和環(huán)氧樹脂等熱界面材料，無(wú)法完全滿足如此苛刻和嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，焊料雖然有高熱導(dǎo)率，但其機(jī)械適應(yīng)性差。

聚合物基復(fù)合材料具有高適應(yīng)性，但導(dǎo)熱系數(shù)低。包括碳納米管(CNTs)、納米線(NWs)、石墨烯、納米片和納米纖維在內(nèi)的大尺寸高縱橫比納米結(jié)構(gòu)為制備導(dǎo)熱和機(jī)械兼容的熱界面材料提供了一個(gè)有前景的平臺(tái)。但由于這些納米結(jié)構(gòu)本質(zhì)上不具有粘附性或可焊接性，因此將這些納米結(jié)構(gòu)與具有連續(xù)界面和低接觸熱阻的目標(biāo)基底物理連接仍然是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。

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成果掠影

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Sheng Shen團(tuán)隊(duì)研究展示了一種3D石墨烯納米線“三明治”熱界面，該界面可實(shí)現(xiàn)了約 0.24 mm2·K/W的超低熱阻，比焊料的熱阻小約1個(gè)數(shù)量級(jí)，比熱潤(rùn)滑脂、凝膠和環(huán)氧樹脂的熱阻低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，以及如聚合物和泡沫一樣的1 MPa低彈性模量和剪切模量。在?55°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)，柔性3D“三明治”結(jié)構(gòu)具有超過1000次循環(huán)的長(zhǎng)期優(yōu)異可靠性。這種納米結(jié)構(gòu)熱界面材料可以使電子系統(tǒng)和器件極大地受益，允許它們?cè)谳^低的溫度或相同的溫度下運(yùn)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”為題發(fā)表于《ACS NANO》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1. 柔性3D石墨烯納米線“三明治”TIM。

圖2. CuNWs and g-CuNWs 材料的EDS、Raman、XRD和接觸角表征。

圖3. CuNW 陣列、g-CuNW 陣列和3D“三明治”的力學(xué)特性。

圖4. 3D 石墨烯-納米線“三明治”TIM的熱和可靠性表征測(cè)試。

(a)FDTR測(cè)量配置。(b)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和最佳的最小二乘擬合傳熱模型，提取g-CuNWs的熱導(dǎo)率和Cu基/g-CuNWs界面熱阻。(c)“三明治”結(jié)構(gòu)的熱阻直方圖。(d)焊接到柔性加熱器上的3D“三明治”。(e,f)熱紅外測(cè)試，用于商業(yè)熱漿料與具有相同尺寸的3D“三明治”TIM之間的比較。對(duì)于相同的加熱器溫度，由3D“三明治”連接的樣品在靠近加熱器的地方顯示出更高的溫度，因此，整體熱阻比導(dǎo)熱膏連接的熱阻更低。(g)?55°C至125°C之間的熱循環(huán)試驗(yàn)。右邊的面板顯示了代表性的溫度循環(huán)剖面，左圖顯示了高度一致的>1000個(gè)溫度循環(huán)，從而表明3D石墨烯-納米線“三明治”熱界面具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

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總結(jié)與展望

綜上所述，本文展示了一種獨(dú)立的、紙狀的、柔性的3D石墨烯-納米線“三明治”TIM，具有優(yōu)異的可焊性，并具有超高的機(jī)械順應(yīng)性，其超低熱阻比傳統(tǒng)焊料小約1個(gè)數(shù)量級(jí)。從寬溫度范圍內(nèi)的溫度循環(huán)測(cè)試來看，3D“三明治”顯示出良好的長(zhǎng)期可靠性。由于大多數(shù)柔性電子器件（例如，在Kapton磁帶上）和微電子器件都是可焊接的，因此本工作中演示的3D“三明治”TIM可應(yīng)用于電子器件中的各種柔性和曲面，適用于先進(jìn)的熱管理、能量轉(zhuǎn)換和能量收集技術(shù)。

審核編輯 ：李倩