研究背景
随着芯片功率密度不断提升，高效散热成为电子设备发展的关键瓶颈。传统导热界面材料（TIMs）往往难以兼顾高导热性与优良的贴合性——导热膏虽贴合性好但导热系数低（<17 W/m·K），相变材料（如石蜡）易泄漏且导热能力不足（1-10 W/m·K）。本研究通过层状复合结构设计，成功解决了这一矛盾。
核心创新：GPOS复合材料
研究团队提出一种新型层状复合材料（GPOS），其结构如图1所示：

制备工艺亮点：

1. 改性石蜡（POS）：通过添加烯烃嵌段共聚物（OBC）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）并交联，形成稳定聚合物骨架，解决泄漏问题。
2. 垂直石墨烯薄膜（VAGF）：将高导热石墨烯薄膜（平面导热系数达2000 W/m·K）切割后垂直排列，构建导热通道。
3. 层层滚压组装：将石墨烯与POS交替堆叠后滚压成圆柱体，切片得到最终复合材料。

性能突破
1. 超高热导率
通过相变材料（POS）与石墨烯的协同效应，GPOS在55°C时垂直导热系数高达789 W/m·K，远超商用材料（见图3c）：


2. 低接触热阻
得益于POS的熔融流动性，GPOS在60 psi压力下接触热阻低至17 K·mm²/W，接近导热膏性能（5-20 K·mm²/W），且无泄漏风险。
3. 热管理效率对比
在模拟芯片测试中（30 W/cm²热流密度），GPOS使芯片温升仅30°C，远低于商用碳纤维垫（73°C）和石墨烯垫（53°C）（图5b）。
散热机制揭秘
通过红外监测与数值模拟（图4），发现相变材料在熔化时吸收大量热量，形成额外温度梯度（ΔTₑₓₜᵣₐ），加速热量向石墨烯层传递：


协同作用流程：
POS吸热（相变潜热）→ 产生温度梯度 → 石墨烯高速导热 → 热量快速散发
应用前景

• 高功率芯片散热：适用于5G基站、AI芯片等高温场景。
• 可扩展制造：滚压组装工艺易于规模化生产。
• 长期稳定性：经过3600次热循环后仍保持性能稳定（图5e）。

总结
这项研究通过石墨烯垂直排列+相变材料限流的巧秒设计，实现了导热性与贴合性的双重突破，为下一代电子设备的热管理提供了可行路径。https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17391

转自《石墨烯研究》公众号