來(lái)源 | Ceramics International

01

背景介紹

隨著智能電子設(shè)備的高度集成化和小型化，電子元件產(chǎn)生的大量熱量導(dǎo)致電子設(shè)備效率降低甚至嚴(yán)重的熱失效。散熱器直接接觸電子元件，幫助散熱，而高接觸電阻阻礙了散熱器與電子元件之間的熱傳遞。

熱界面材料(TIM)旨在降低接觸電阻，滿足電子、航空航天和軍事領(lǐng)域?qū)ζ骷膰?yán)格要求。近年來(lái)，具有高導(dǎo)熱系數(shù)的柔性TIM引起了研究者的廣泛關(guān)注，以解決柔性電子器件中的過(guò)度散熱和改善熱管理問題。

石墨烯(Gr)是一種最有前途的二維(2D)納米材料，具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)(5300 W/（mK）)，優(yōu)異的柔韌性。然而，由于Gr的分散性差和Gr片間熱阻高，Gr膜的導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于單層Gr。因此，在考慮降低熱阻的同時(shí)，應(yīng)努力改善Gr片材在懸浮液中的分散，促進(jìn)其在膜中的取向。

為了獲得高導(dǎo)熱的柔性Gr薄膜，提高Gr的分散性至關(guān)重要。芳綸納米纖維(ANFs)、明膠、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)被用作Gr分散體的分散劑，PVP中親水性(-CONH)和疏水性(-CH)基團(tuán)的存在加速了Gr的分散，導(dǎo)致真空過(guò)濾后形成致密的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜。然而，PVP的導(dǎo)熱系數(shù)低得多，這將略微降低石墨烯薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)。因此如何通過(guò)PVP提高Gr的分散性而不惡化導(dǎo)熱性的材料制備技術(shù)是非常重要的。

02

成果掠影

近期，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)李江濤團(tuán)隊(duì)通過(guò)真空輔助過(guò)濾策略提出了高導(dǎo)熱和柔性石墨烯(Gr)薄膜。在真空剪切力和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分散作用的驅(qū)動(dòng)下，由于氫鍵(h -鍵)的作用，石墨烯片層呈層狀堆疊。高度層合的Gr/PVP薄膜(GPVP-F)表現(xiàn)出81.2 W/（mK）的高面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和5.1 W/（mK）的垂直平面導(dǎo)熱系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，GPVP-F作為柔性TIM使用時(shí)，使發(fā)光二極管(LED)芯片溫度降低4.3°C(從46.1°C降至41.8°C)，對(duì)于室溫器件(< 50°C)的冷卻效果處于先進(jìn)水平。此外，GPVP-F即使在100°C下仍具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性(68.1 W/（mK）)，并且經(jīng)過(guò)10次加熱冷卻循環(huán)后仍具有出色的穩(wěn)定性。更重要的是，出色的靈活性確保了GPVP-F能夠應(yīng)用于不規(guī)則形狀的設(shè)備。以上結(jié)果使GPVP-F在電子器件熱管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果以“Anisotropic graphene films with improved thermal conductivity and flexibility for efficient thermal management”為題發(fā)表于《Ceramics International》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.材料的制備流程和微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.材料的熱導(dǎo)率示意圖。

圖4.不同文獻(xiàn)報(bào)道的材料的熱導(dǎo)率對(duì)比。

圖5.GPVP-F沿平面和透平面方向的熱傳導(dǎo)機(jī)理示意圖。

圖6.材料的熱管理性能。

圖7.基于有限元分析的GPVP-F作為TIM的LED冷卻系統(tǒng)溫度分布。