??石墨烯作為一種目前世界上研究最廣范的二維材料之一，在面內(nèi)方向具有極高的熱導(dǎo)率（3,500 – 5,300W/mK），那么，有無可能利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能來對(duì)電子元器件進(jìn)行有效的熱管理呢？

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所功能碳素材料團(tuán)隊(duì)與合作者制備了一種基于石墨烯紙的高性能熱界面材料。近年來，隨著電子器件朝著輕、薄、短、小方向發(fā)展，但其各種組件（如CPU、GPU等）的功率卻越來越大，其工作溫度也相對(duì)之前大幅度提高，但是高溫會(huì)對(duì)電子組件的穩(wěn)定性、可靠性和壽命產(chǎn)生有害影響。過高的溫度會(huì)危及電路連接點(diǎn)，增加阻值，并造成熱應(yīng)力損傷，熱失效導(dǎo)致的電子器件故障占總故障的55%。統(tǒng)計(jì)顯示電子元件工作溫度每提升10 – 15 °C，使用壽命將降低一半。因此，確保電子元器件所產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)移除，己經(jīng)成為電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組裝的一個(gè)重要考慮因素，特別對(duì)于集成程度和組裝密度都較高的便攜式電子產(chǎn)品（如筆記本電腦和手機(jī)等），散熱甚至成為了整個(gè)產(chǎn)品的主要技術(shù)瓶頸。

在熱源與熱沉之間由于存在微米尺度的粗糙度，其中充滿了空氣（0.03 W/mK），即使施加了很大的封裝壓力，也無法實(shí)現(xiàn)熱源與熱沉之間的無縫接觸，在一般封裝條件下，熱源與熱沉的實(shí)際接觸面積只有接合面積的10%，嚴(yán)重阻礙了熱傳導(dǎo)，使界面熱阻抗增加，最終造成散熱效能低下。目前主要是用一種柔軟易形變的材料填充于熱源與熱沉界面間，充當(dāng)熱傳遞的橋梁，稱之為熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM），見圖1。導(dǎo)熱墊是一種具有一定導(dǎo)熱性能的彈性的固態(tài)材料，具有選材多樣性，適用范圍廣，易于清理，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的散熱管理應(yīng)用。目前商用導(dǎo)熱墊主要是使用高導(dǎo)熱陶瓷填料（如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼等）與硅膠基底混合而成，其導(dǎo)熱系數(shù)普遍小于7 W/mK，越來越難以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的散熱需求。

圖1. （a）熱界面材料的運(yùn)作原理與（b）應(yīng)用實(shí)例

中科院寧波材料所團(tuán)隊(duì)研發(fā)的石墨烯/碳化硅納米線復(fù)合熱界面材料（GHP）很好的解決了熱界面材料需要兼顧面外高熱導(dǎo)率與良好壓縮性能的瓶頸問題，制備流程見圖2a。目前，具有面內(nèi)高熱導(dǎo)率的石墨烯紙（勻熱膜），已被應(yīng)用于各種電子設(shè)備的熱管理用途。然而，由于石墨烯紙的面外導(dǎo)熱系數(shù)較低（< 6 W/mK），限制其作為熱界面材料的使用。

在該研究中，通過在石墨烯層間預(yù)先嵌入氧化硅納米粒子，在進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，使石墨烯片層間原位生長(zhǎng)出導(dǎo)熱性能較好的碳化硅納米線，其斷面結(jié)構(gòu)如圖2b所示。由于石墨烯/碳化硅納米線的界面為碳–硅共價(jià)鍵，在75 psi的封裝壓力下（如圖2c）所示，GHP的面外熱導(dǎo)率（17.6 W/mK）相對(duì)于石墨烯紙?zhí)岣吡巳吨?，也高于常用的商用熱界面材料，包括?dǎo)熱硅膠墊、導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱凝膠等（圖2d）。

圖2. （a）GHP的制備流程；（b）石墨烯紙和GHP的橫截面SEM圖；（c）75 psi下石墨烯紙和GHP的熱導(dǎo)率圖；（d）GHP與既有熱界面材料的面外熱導(dǎo)率對(duì)比圖。

在實(shí)際的熱界面性能評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，以GHP為熱界面材料的系統(tǒng)溫降達(dá)到了18.3 °C，是商用熱界面材料溫降（8.9 °C）的兩倍多，如圖3a–c所示。通過仿真軟件對(duì)散熱過程的模擬（圖3d–e），結(jié)果顯示：GHP不僅有著較高的面外熱導(dǎo)率，其接觸熱阻也低于主流商用導(dǎo)熱墊。另外，相對(duì)于硅膠基熱界面材料，GHP是由無機(jī)的石墨烯與碳化硅組成，因此擁有更好的熱穩(wěn)定性及工作溫度適應(yīng)性。

圖3. （a）TIM材料性能評(píng)估系統(tǒng)原理圖 3；（b）30W功率下加熱器溫度變化圖；（c）不同功率下加熱200s后加熱器溫度圖；（d）（e）基于模擬計(jì)算的熱界面材料有效熱導(dǎo)率與散熱能力比較。

相關(guān)的工作已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano上，文章第一作者是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生代文。

研究工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0406000）、中科院重大裝備研制項(xiàng)目（YZ201640）、寧波市重大專項(xiàng)（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國(guó)際合作項(xiàng)目（2017D10016）等資助。