武汉理工何大平/王哲CRPS：用于超高效散热的垂直石墨烯TIMs可变形表面设计 | Cell Press论文速递

电子器件功率密度的急剧增加带来了严重的散热问题，开发高导热性能热界面材料（TIMs）以提升热管理系统散热效率成为迫切需求。近日，武汉理工大学何大平教授课题组通过银浆热收缩策略开发了一种表面可变形的垂直石墨烯热界面材料，具有超高纵向热导率（738.6 W m⁻¹ K⁻¹）的同时实现了低的接触热阻（29.2 K mm² W⁻¹），在电子器件高效散热方面极具应用潜力。该文于2024年5月13日以“Deformable surface design of vertical graphene thermal interface materials for ultrahigh heat dissipation efficiency”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。论文通讯作者为何大平、王哲；论文第一作者为田超、傅华强。通讯单位为武汉理工大学。

研究背景

随着电子系统中功率密度的爆炸式增长，高效散热已经成为阻碍高功率集成电子器件持续发展的重要难题。为了提升电子系统的散热效率，通常在发热部件和散热器之间填充热界面材料（TIMs）。然而，现有商用TIMs有限的导热系数已经逐渐难以满足电子设备功率密度快速增长对高效散热的需求。石墨烯在先进TIMs设计中具有巨大潜力，通过宏观组装调控石墨烯排列方向可以有效提升纵向热导率，但其表面刚性会导致较高的界面热阻，亟需开发高纵向热导率、低界面热阻的垂直石墨烯TIMs。

要点1：表面可变形垂直石墨烯TIMs设计原理和结构表征

通过宏观调整石墨烯膜排列，利用银浆作为胶连剂制备垂直石墨烯整体（VGM），经过温度诱导VGM内银浆体积收缩得到可变形表面。

图1. 表面可变形VGM热耦合界面对比及制备流程

图2. VGM结构表征

要点2：表面可变形VGM具有超高纵向热导率同时实现低接触热阻

基于石墨烯膜的垂直有序排列，VGM热导率高达738.6 W m⁻¹ K⁻¹，展现出优异的导热性能。在热阻测试中，由于VGM表面可变形能有效增加接触面积，在300 psi封装压力下，接触热阻低至29.2 K mm² W⁻¹。

图3. VGM导热性能

图4. VGM界面传热性能和热阻测试

要点3：VGM热管理实测散热性能优异

将VGM与高热导率的铜块以及先进的商用碳纤维导热垫（40 W m⁻¹ K⁻¹）进行散热对比测试，VGM的散热效率相比铜块和碳纤维导热垫分别提升了66.7%和143.9%，展现了VGM在实际热管理应用中的巨大潜力。

图5. VGM散热性能

论文标题：Deformable surface design of vertical graphene thermal interface materials for efficient heat dissipation

论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424002388

DOI：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101978