具有超低熱阻和剛度的3D石墨烯-納米線“三明治”熱界面材料

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背景介紹

柔性電子產(chǎn)品已經(jīng)應用于照明、顯示、可穿戴傳感器、植入式電子器件以及軟機器人等領域，正在改變著人們與周圍環(huán)境的交互方式。然而，散熱已經(jīng)成為材料體系高度異構的柔性電子器件的一個關鍵挑戰(zhàn)，限制了它們的性能和可靠性。

電子器件的被動和主動冷卻解決方案近年都取得了進步，但由于界面處固有的材料差異和表面粗糙度，材料之間的界面通常已成為熱傳導的關鍵障礙。在許多情況下，界面處的熱阻可構成從電子器件到散熱介質(zhì)總熱阻的50%以上。

熱界面材料（TIM）被廣泛應用于界面的機械連接和熱橋接。為了實現(xiàn)柔性電子和微電子的廣泛應用，“理想的”熱界面材料需要有高導熱系數(shù)及最小化的熱阻，并具有高度柔性以適應柔軟和彎曲的表面，同時適應兩種連接材料之間熱膨脹不匹配引起的熱應力。然而，傳統(tǒng)的如焊料、硅脂、凝膠和環(huán)氧樹脂等熱界面材料，無法完全滿足如此苛刻和嚴格的技術標準，焊料雖然有高熱導率，但其機械適應性差。

聚合物基復合材料具有高適應性，但導熱系數(shù)低。包括碳納米管(CNTs)、納米線(NWs)、石墨烯、納米片和納米纖維在內(nèi)的大尺寸高縱橫比納米結構為制備導熱和機械兼容的熱界面材料提供了一個有前景的平臺。但由于這些納米結構本質(zhì)上不具有粘附性或可焊接性，因此將這些納米結構與具有連續(xù)界面和低接觸熱阻的目標基底物理連接仍然是一個突出的挑戰(zhàn)。

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成果掠影

卡內(nèi)基梅隆大學Sheng Shen團隊研究展示了一種3D石墨烯納米線“三明治”熱界面，該界面可實現(xiàn)了約 0.24 mm2·K/W的超低熱阻，比焊料的熱阻小約1個數(shù)量級，比熱潤滑脂、凝膠和環(huán)氧樹脂的熱阻低幾個數(shù)量級，以及如聚合物和泡沫一樣的1 MPa低彈性模量和剪切模量。在?55°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)，柔性3D“三明治”結構具有超過1000次循環(huán)的長期優(yōu)異可靠性。這種納米結構熱界面材料可以使電子系統(tǒng)和器件極大地受益，允許它們在較低的溫度或相同的溫度下運行，且具有更高的性能和功率密度。研究成果以“3D Graphene-Nanowire “Sandwich” Thermal Interface with Ultralow Resistance and Stiffness”為題發(fā)表于《ACS NANO》。

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圖文導讀

圖1. 柔性3D石墨烯納米線“三明治”TIM。

圖2. CuNWs and g-CuNWs 材料的EDS、Raman、XRD和接觸角表征。

圖3. CuNW 陣列、g-CuNW 陣列和3D“三明治”的力學特性。

圖4. 3D 石墨烯-納米線“三明治”TIM的熱和可靠性表征測試。

(a)FDTR測量配置。(b)通過實驗數(shù)據(jù)和最佳的最小二乘擬合傳熱模型，提取g-CuNWs的熱導率和Cu基/g-CuNWs界面熱阻。(c)“三明治”結構的熱阻直方圖。(d)焊接到柔性加熱器上的3D“三明治”。(e,f)熱紅外測試，用于商業(yè)熱漿料與具有相同尺寸的3D“三明治”TIM之間的比較。對于相同的加熱器溫度，由3D“三明治”連接的樣品在靠近加熱器的地方顯示出更高的溫度，因此，整體熱阻比導熱膏連接的熱阻更低。(g)?55°C至125°C之間的熱循環(huán)試驗。右邊的面板顯示了代表性的溫度循環(huán)剖面，左圖顯示了高度一致的>1000個溫度循環(huán)，從而表明3D石墨烯-納米線“三明治”熱界面具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

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總結與展望

綜上所述，本文展示了一種獨立的、紙狀的、柔性的3D石墨烯-納米線“三明治”TIM，具有優(yōu)異的可焊性，并具有超高的機械順應性，其超低熱阻比傳統(tǒng)焊料小約1個數(shù)量級。從寬溫度范圍內(nèi)的溫度循環(huán)測試來看，3D“三明治”顯示出良好的長期可靠性。由于大多數(shù)柔性電子器件（例如，在Kapton磁帶上）和微電子器件都是可焊接的，因此本工作中演示的3D“三明治”TIM可應用于電子器件中的各種柔性和曲面，適用于先進的熱管理、能量轉換和能量收集技術。

審核編輯 ：李倩