隨著小型化和集成化的快速發(fā)展，熱管理已成為微電子制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù)。電子設(shè)備難以快速散熱，導(dǎo)致芯片溫度急劇上升，從而導(dǎo)致器件低效率。熱界面材料是解決電子芯片散熱問題的關(guān)鍵。與此同時(shí)，芯片等小型器件往往處于動(dòng)態(tài)的工作狀態(tài)中，迫切需要具有一定機(jī)械性能和自修復(fù)特性的新型熱界面材料。
近日，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心謝華清教授、于偉教授團(tuán)隊(duì)通過將石墨烯摻入基于聚丙烯酸酯的雙交聯(lián)水凝膠中，獲得了一種新型的熱界面材料。在水凝膠中引入石墨烯可以提高熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)水凝膠的拉伸性能。復(fù)合導(dǎo)熱水凝膠具有自修復(fù)特性，精準(zhǔn)滿足熱界面材料的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。結(jié)果表明：當(dāng)壓力在 35°C 下從 10 Psi 增加到 50 Psi 時(shí)，接觸熱阻降低到0.069 K?cm2/W。 在一定壓力下，溫度對(duì)接觸熱阻的影響很小。總體而言，接觸熱阻仍然很低 (0.5–0.9 K?cm2/W)。 通過穩(wěn)態(tài)熱分析模擬和紅外熱成像，復(fù)合水凝膠在高導(dǎo)熱率和低接觸熱阻的綜合作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能。
圖1 石墨烯水凝膠的機(jī)理圖
圖2 石墨烯水凝膠的制備圖及表征測(cè)試
圖3 石墨烯水凝膠自修復(fù)性能測(cè)試
圖4 （a-b）石墨烯水凝膠在溫度和壓力梯度下的接觸熱阻測(cè)試 (c)石墨烯水凝膠的性能分布 （d）不同類型產(chǎn)品的接觸熱阻值
圖4(a)顯示了在30℃時(shí)，壓力對(duì)石墨烯導(dǎo)熱水凝膠TCR的影響。在這個(gè)溫度下，當(dāng)水凝膠開始接觸，TCR為 4-12 K?cm2/W(10 Psi)。當(dāng)壓力逐漸增大，復(fù)合材料水凝膠的的接觸面積增加，TCR開始逐漸下降。在壓力為 50 Psi 的下，復(fù)合材料的TCR 降至最小值約0.06–0.2 K?cm2/W。溫度是影響 TCR 的重要參數(shù)。圖4(b)顯示了在 30 Psi 壓力下溫度對(duì) TCR 的影響。當(dāng)壓力為 30 Psi，導(dǎo)熱水凝膠的 TCR 為基本上處于低水平。圖4（c）比較了純水凝膠和復(fù)雜石墨烯水凝膠的性能，可以看出石墨烯的負(fù)載在一定程度上提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和機(jī)械性能。于此同時(shí)，我們比較了相關(guān)文獻(xiàn)和工業(yè)化產(chǎn)品，我們?cè)O(shè)計(jì)的石墨烯水凝膠具有優(yōu)異的低熱阻性能，同時(shí)也表現(xiàn)出良好的熱管理性能。
以上成果發(fā)表在International Communications in Heat and Mass Transfer，上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生楊家偉為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料學(xué)院謝華清教授、于偉教授為共同通訊作者。Title：Graphene double cross-linked thermally conductive hydrogel with low thermal contact resistance, flexibility and self-healing performance，International Communications in Heat and Mass Transfer 127 (2021) 105537，DOI：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105537