一種用于熱管理的高導熱石墨膜

熱管理博覽會

2024年1月26日 09:56

來源 | Nano-Micro Letters

背景介紹

超高速高頻電子器件的持續小型化和集成化給高效熱管理帶來了重大挑戰，因為它不可避免地會增加溫度并降低可靠性。這些挑戰在復雜的操作條件下尤為明顯，例如軍事、航天器、超級計算機和其他復雜場景。在這些極端應用場景中，對熱管理材料提出了新的要求。液氮的低溫低至77 K，是一種多用途的冷源，用于核電站和航空航天。散熱包括設備產熱、熱管理材料傳熱(熱傳導)和冷源冷卻的過程。在這些特殊工況下，大功率器件(熱源)產生的大量廢熱可以通過換熱介質傳導到液氮(冷源)中。然而，由于液氮溫度異常低，表面張力高，在溫度變化下體積膨脹明顯，該技術面臨挑戰。在如此復雜的使用條件下，這些因素會導致功能部件不可避免的結構損傷，從而降低散熱性能。因此，在極端條件下實現結構穩定性和高性能材料設計的集成是熱管理領域的關鍵挑戰。

聚合物、陶瓷、金屬等熱管理材料得到了廣泛的應用和發展。由于其固有的缺陷，它們無法滿足復雜和極端場景的需求。碳基材料，如高導熱石墨薄膜(GF)，具有低密度、優異的柔韌性、低熱膨脹系數和固有的耐化學性等優點，是傳統導熱材料的一個很有前途的替代品。然而，使用交聯聚合物會降低導熱系數，塑化拉伸只能消除薄膜的部分內部缺陷，在極端條件下無法解決其固有的結構不穩定性。

成果掠影

近日，浙江大學高超、許震和劉英軍老師以及明鑫博士針對用于高功率電子器件熱管理的高導熱石墨薄膜(GF)材料開發取得最新進展。該文首次研究了GF在循環液氮沖擊(LNS)中的結構破壞機制，揭示了一個以“滲透-擴散-變形”現象為特征的鼓泡過程。為了克服這一長期存在的結構弱點，提出了一種新的金屬-納米盔甲策略來構建具有無縫異質界面的Cu修飾石墨膜(GF@Cu)。這種精心設計的接口確保了在77至300 K的數百次LNS循環后GF@Cu的優越結構穩定性。此外，GF@Cu在150次LNS循環后仍保持高達1088 W/mK的高導熱率，降解率低于5%，優于純GF(50%降解)。我們的工作不僅為通過合理的結構設計提高石墨薄膜的穩健性提供了機會，而且還促進了導熱碳基材料在未來復雜航空航天電子產品中極端熱管理的應用。研究成果以“Highly Thermally Conductive and Structurally Ultra?Stable Graphitic Films with Seamless Heterointerfaces for Extreme Thermal Management”為題發表在《Nano Micro Letters》。

圖文導讀