四川大学《ACS AMI》：双层结构的高导热石墨烯基热界面材料，用于CPU冷却

1、成果简介

晶体管朝着小型化和集成化的创新加剧了中央处理器（CPU）的热量积聚。热界面材料（TIM）对于消除产生的热量并确保设备可靠性至关重要。本文，四川大学高分子科学与工程学院徐家壮教授（通讯作者）团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Highly Thermally Conductive Graphene-Based Thermal Interface Materials with a Bilayer Structure for Central Processing Unit Cooling”的论文，研究提出了麦芽糖辅助的机械化学剥离法以制备麦芽糖-G-石墨烯作为TIM的结构基序。然后，通过两步真空过滤制备具有双层结构的麦芽糖-G-石墨烯/明胶复合膜，以构建有效的导热路径，该路径由定向排列且紧密堆积的麦芽糖-G-石墨烯组成。

双层复合膜表现出显着的面内热导率（30.8 W m –1 K –1）和40％（重量）麦芽糖-g-石墨烯加入时的强各向异性（约8325％）。更有趣的是，双层复合膜对CPU的冷却效果明显好于商用导热垫（TIM）。收集到了在抵抗瞬时和长时间热冲击方面出色的导热稳定性以及疲劳稳定性。我们的工作为设计和制造用于CPU冷却以克服恶劣应用场景的高性能TIM提供了参考。

2、图文导读

图1.（a）麦芽糖辅助机械化学方法剥落石墨的示意图。（b）TEM图像，（c）AFM图像，以及（d）麦芽糖-g-石墨烯的典型高度分布统计数据。（e）通过动态光散射测量的麦芽糖-g-石墨烯的长度分布。（f）原始石墨和麦芽糖-g-石墨烯的拉曼光谱。（g）原始石墨和麦芽糖-g-石墨烯的2D带的拉曼光谱。

图2.（a）原始石墨和麦芽糖-g-石墨烯的X射线光电子能谱。（b）原始石墨和（c）麦芽糖-g-石墨烯的XPS C 1s核心能级谱。（d）麦芽糖和麦芽糖-g-石墨烯的FTIR光谱。（e）麦芽糖，原始石墨和麦芽糖-g-石墨烯的TGA曲线。（f）固定保存60天后的麦芽糖-g-石墨烯水溶液（左）和停止超声处理后的石墨水溶液（右）的光学图像。

图3.（a）UG /明胶复合膜和（c）DG /明胶复合膜的制备过程示意图。（b）40 wt％UG /明胶膜和（d）40 wt％DG /明胶膜的横截面SEM图像和相应的放大图像。

图4.（a）具有不同麦芽糖-g-石墨烯含量的UG /明胶复合膜和DG /明胶复合膜的面内TC。（b）DG /明胶复合膜的面内TC作为导电层中麦芽糖-g-石墨烯的函数。（c）将DG /明胶复合膜的面内TC与以前的报道进行比较。 （d）比较每单位填料的TC含量，以验证DG /明胶复合膜的优越性。（e）40wt％UG /明胶膜和40wt％DG /明胶膜的红外热像和（f）表面温度变化。

图5.（a）CPU-GPU集成风扇和CPU上的散热垫的示意图。（b）CPU核心温度随运行时间的变化。（c）以10、20、30、40、50 K min –1的加热速率加热到100°C的40 wt％DG /明胶薄膜的面内TC 。（d）热冲击后40重量％的DG /明胶膜的面内TC变化在80至-40℃之间。（e）40重量％的DG /明胶膜在升高的温度和不同的恒温时间下的导热性能。（f）每1000个弯曲周期之前和之后40％重量百分比的DG /胶凝膜的面内TC。

图6.具有不同填料含量的UG /明胶膜和DG /明胶膜的表面电阻率，以及40重量％的UG /明胶膜和40重量％的DG /明胶膜作为导体在闭合电路中的照片。

3、小结

我们通过构造由导电层和基质层组成的双层结构，制造了用于CPU冷却的高导热性TIM。在实际操作条件下，DG /明胶膜的冷却效率要比市售的硅胶垫高。DG /明胶复合膜具有出色的导热稳定性，可以抵抗恶劣的环境。我们的工作为制造用于冷却大功率电子设备的高性能TIM开辟了一条重要途径。

链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c01223