來源 | Composites Part B

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背景介紹

隨著電子產品逐漸向輕量化和多功能化的方向發展，要求更高的集成度導致設備功率密度的增加。因此電子產品在工作中會產生過多熱量大大降低了相應設備的性能和壽命，所以散熱成為制約電子器件進一步發展的瓶頸。散熱的主要挑戰之一是由表面粗糙度引起的電子器件和散熱器配合表面的微觀間隙所引起的界面熱阻。這可能導致性能惡化，甚至降低設備的使用壽命。

為了填補微觀間隙并減少界面熱阻，通常在電子器件和散熱器之間放置熱界面材料(TIMs)。值得注意的是，界面熱阻主要來源于兩個因素:TIMs的熱阻和接觸熱阻，前者由TIMs的厚度和導熱率決定，后者部分取決于TIMs的柔韌性。不幸的是，高導熱性和高柔韌性之間的相互制約限制了TIMs的發展。為了獲得具有高導熱性的柔性材料，將金屬、陶瓷、碳基材料等本質上具有高導熱性的填料與聚合物結合。

碳基材料，如石墨烯、碳納米管、金剛石和碳纖維是最有希望的候選材料。由于石墨烯具有極高的面內導熱系數(~5300 W/mK)，填充石墨烯可以增強高分子材料的導熱性。然而，由于石墨烯在聚合物材料中的分散和排列不良，往往無法取得優異的結果。研究表明，石墨烯形成的三維網絡，如石墨烯泡沫、垂直石墨烯和石墨烯氣凝膠，可以提高材料的通平面導熱性。

改善材料通平面導熱性的方法是構建沿通平面方向排列填料。例如，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制備的垂直石墨烯陣列已被證明具有優異的通平面導熱性，而通過靜電植束方法將碳纖維填料垂直排列可提高所得復合材料的通平面導熱性。此外，還深入研究了力場、磁場和定向凍結來排列填料，從而大大提高了復合材料的熱性能。

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成果掠影

近期，廈門大學張學驁教授團隊針對開發具有定向排列的的熱界面材料取得最新進展。基于該團隊之前對垂直碳纖維組成的TIMs的研究，本文利用石墨烯納米片(GNPs)取代了這些纖維，因為它們具有高導熱性和片層結構。這有助于增加相鄰GNPs之間的接觸面積，提高復合材料的導熱性。在本研究中，利用旋轉磁場將石墨烯納米片(GNPs)共平面排列在聚乙烯醇(PVA)中，顯著提高了復合材料的導熱性。共面垂直排列的GNPs/PVA (CVGNPs/PVA)的通平面導熱系數為11.78 W/mK，比無序分布的GNPs (1.14 W/mK)高出約10倍。旋轉磁場促進了GNPs的排列，增加了相鄰GNPs之間的面對面接觸，從而顯著提高了復合材料的通面導熱系數。CVGNPs/PVA復合材料的壓縮模量僅為1.06 MPa，并且有助于將熱界面阻力降低到49 mm² K/W。這些結果為制備優異的TIMs提供了一種新的方法，可以用于各種應用。研究成果以“Aligning graphene nanoplates coplanar in polyvinyl alcohol by using a rotating magnetic field to fabricate thermal interface materials with high through-plane thermal conductivity ”為題發表于《Composites Part B 》。

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圖文導讀

圖1.CVGNPs/PVA材料的制備流程示意圖和結構表征。

圖2.無磁場、具有靜態磁場，磁場分別繞z軸和y軸旋轉制備的復合材料原理圖和掃描電鏡圖像。

圖3.磁場作用下GNPs的幾何模型和結構表征。

圖4.材料的熱學和力學性能、以及有限元分析示意圖。

圖5.研究了CVGNPs/PVA復合材料的熱管理性能。

END

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