成果简介
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优异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。本文，浙江大学刘英军 研究员、Zhen Xu、高超教授课题组在《ACS Nano》期刊发表名为“Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering”的论文，研究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约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），形成了连续的导热通道。即使填料含量较低，仅为17wt %，基于 GF 的 TIM 也能表现出极高的通面热导率，高达82.4Wm-1 K-1，超过大多数基于 CF 的TIM，甚至可与常用的软铟箔相媲美。得益于 GF 的低刚度，GF 基 TIM 的压缩模量低至0.57MPa，压缩循环后的回弹率高达 95%，接触热阻低至 7.4K 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。
图文导读
图1.GF-TIM的制备和表征
图2.光纤阵列的结构表征和取向原理。
图3.GF-TIM的导热系数
图4.GF-TIM的机械性能。
图5.GF-TIM在电子设备中的冷却性能
小结
总之，我们提出了一种机械-电气双场协同配向工程策略，利用柔性和高导热性 GF 制造出高度垂直配向的 GF 阵列，阵列密度高（33.5 mg cm-2），配向度优（0.88）。通过双场协同调节，垂直排列的纤维可以建立更有效的热通路。所获得的 GF-TIM 在填料含量仅为 17.0 wt % 的情况下，具有 82.4 W m-1 K-1 的超高通面导热率，并保持了出色的弹性顺应性（0.57 MPa 的低压缩模量和高回弹性能）。此外，它还具有出色的散热性、加工性、耐久性和热稳定性，可应对更复杂的实际应用，如热负荷冲击和压缩循环。针对热性能与弹性顺应性之间不可避免的矛盾，高导热、高弹性的 GF 材料系统和双场协同排列工程为下一代 TIM 设计提供了可行而有效的解决方案。
文献:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04349
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