中國粉體網(wǎng)訊  近日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了2025年未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新任務(wù)揭榜掛帥工作的通知，其中在原子級制造揭榜掛帥任務(wù)榜單中涉及到了高導(dǎo)熱石墨烯熱界面材料，提出到2026年，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱低熱阻的石墨烯熱界面材料規(guī)模生產(chǎn)，垂直導(dǎo)熱系數(shù)大于300W/m·K，熱阻小于0.05K·cm2/W，壓縮殘余應(yīng)力小于30PSI（50%壓縮量），回彈率大于50%，系列產(chǎn)品在不少于10000個(gè)高功率器件上示范應(yīng)用。

石墨烯熱界面材料為何受到如此重視？

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品向微型化、高度集成化、高性能化以及多功能化的飛速發(fā)展，如何有效地消除由高功率集成電路產(chǎn)生的多余熱量，已經(jīng)成為微電子領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

目前工業(yè)界普遍認(rèn)為有效的熱設(shè)計(jì)不僅在于設(shè)計(jì)架構(gòu)，更多的是依賴散熱材料本身的導(dǎo)熱性能，主要包括芯片材料，各種電路板及基板材料，熱沉材料，尤其是將這些相互連接的熱界面材料更是成為了整個(gè)熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

不同接觸形式下發(fā)熱元件與散熱器間接觸與熱流傳輸示意圖

熱界面材料通常選用彈性高分子聚合物為基底的復(fù)合材料，通過添加不同種類的導(dǎo)熱填料來提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率，因此，熱界面材料的導(dǎo)熱性能很大程度上是由導(dǎo)熱填料決定的。

石墨烯的導(dǎo)熱潛能

石墨稀于2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov通過機(jī)械剝離法首次發(fā)現(xiàn)。它是一種典型的二維材料，單層的石墨烯厚度僅為0.35nm。石墨烯具有復(fù)式六角晶格結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)碳原子與鄰近的三個(gè)原子形成三個(gè)S鍵，剩余的一個(gè)孤電子垂直于石墨烯所在平面，與周圍原子形成π鍵。以sp2雜化形成的共價(jià)鍵鍵長為1.42Å，鍵角為120°，因此石墨烯內(nèi)部碳原子之間通過S鍵連接形成正六邊形的層狀蜂窩式的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。正是由于石墨烯這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)與電子分布方式，使它具有了十分出色的機(jī)械性能、極高的載流子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能以及透光率。

常見高分子與導(dǎo)熱填料熱導(dǎo)率

導(dǎo)熱性能方面，采用非接觸共焦拉曼測試的單層懸空石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5，300 W/m·K，明顯高于金剛石和單壁碳納米管。對于含缺陷和官能團(tuán)的石墨烯粉體而言，隨著制備方法的不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)略有差別，導(dǎo)熱率的分布范圍為800-3，500W/m·K，但也遠(yuǎn)高于銅、鋁等金屬以及氮化鋁、碳化硅等陶瓷材料。因此石墨烯在導(dǎo)熱界面材料領(lǐng)域具有極大的潛力。

選用石墨烯有講究

盡管石墨烯在較低含量下能顯著提高聚合物材料的導(dǎo)熱性能，但聚合物/石墨烯熱界面材料的導(dǎo)熱性能也受石墨烯本征特性的影響。

石墨烯厚度、尺寸的影響

隨石墨烯層數(shù)增加，聲子散射產(chǎn)生橫向分量，其本征熱導(dǎo)率的降低會(huì)影響聚合物熱界面材料的導(dǎo)熱性能。此外，選擇大尺寸的石墨烯能減少體系界面數(shù)量，進(jìn)而減少聲子散射和界面熱阻，提高熱導(dǎo)率。

但石墨烯片層越薄，越易在聚合物基體中折疊、扭曲形成褶皺，這些變形會(huì)成為聲子散射點(diǎn)削弱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。由于石墨烯本身的疏水及靜電特性，片徑過大的石墨烯在基體中極易團(tuán)聚，這會(huì)抑制石墨烯的本征熱學(xué)特性。

石墨烯缺陷的影響

結(jié)構(gòu)完整的石墨烯具有非常高的熱導(dǎo)率，一般在3000~5000W/(m·K)，但在制備石墨烯過程中難免產(chǎn)生缺陷，缺陷的種類、含量等都會(huì)影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，有些結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)成為熱流散射的中心，削弱石墨烯的熱耗散能力。

石墨烯含量的影響

石墨烯含量是決定聚合物熱界面材料熱導(dǎo)率的重要因素。石墨烯含量較低時(shí)，熱量不能從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到相鄰粒子上，界面熱阻高;隨石墨烯含量增加，石墨烯片層之間密切接觸，形成的有效熱傳輸通道越多，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越大。

雖然增加石墨烯含量能顯著提高聚合物熱界面材料的熱導(dǎo)率，但石墨烯含量很高時(shí)，復(fù)合材料的絕緣性能、機(jī)械加工性能、光學(xué)性能等都會(huì)受到較大影響；同時(shí)高填充量下，石墨烯在聚合物中易團(tuán)聚，也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的表面不平整、柔韌性差、質(zhì)量大等。因此，要針對不同聚合物選擇最佳的石墨烯填充比。

如何提高聚合物/石墨烯熱界面材料導(dǎo)熱性能？

石墨烯取向

石墨烯取向是實(shí)現(xiàn)低含量下聚合物熱界面材料快速傳熱的有效途徑。外力作用下，石墨烯沿特定方向有序排列，可提供更高效的傳熱路徑，充分發(fā)揮其面內(nèi)熱導(dǎo)率極高的優(yōu)勢，減少沿特定方向的滲流閾值。常見的誘導(dǎo)石墨烯取向的方法包括機(jī)械力誘導(dǎo)法、電場誘導(dǎo)法、磁場誘導(dǎo)法等。

填料混合填充

添加不同尺寸、不同種類的導(dǎo)熱填料以協(xié)同發(fā)揮各種填料的作用，是目前制備高導(dǎo)熱聚合物熱界面材料廣泛應(yīng)用的方法。然而，碳系填料和金屬粒子均具有突出的導(dǎo)電性，所得熱界面材料的電導(dǎo)率也較高，在電子封裝領(lǐng)域還要求熱界面材料具有絕緣性和高溫穩(wěn)定性。將無機(jī)填料與石墨烯復(fù)合，可使材料導(dǎo)熱性能增強(qiáng)的同時(shí)保持良好的絕緣性和耐老化性。

3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3D石墨烯網(wǎng)絡(luò)比石墨烯片具有更好的聲子、電子、離子轉(zhuǎn)移能力，同時(shí)具有大比表面積、低密度和優(yōu)異的綜合性能。常見的構(gòu)建3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法有自組裝法、模板法、冷凍干燥法、3D打印法等。

雙逾滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙逾滲結(jié)構(gòu)是以聚合物合金為基體，利用聚合物相容性(包括界面能、熔體黏度)差異而產(chǎn)生相分離，填料選擇性分布在其中一相聚合物中或分布在兩相界面處以增大其在材料中的有效濃度，在單相聚合物中達(dá)到滲流閾值，并通過一個(gè)連續(xù)相聚合物滲透，構(gòu)建完善的導(dǎo)熱鏈，從而在整個(gè)聚合物合金中形成連續(xù)的導(dǎo)熱通路。雙逾滲結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)于單相聚合物復(fù)合材料的優(yōu)勢，在填料含量極低條件下能改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

參考來源：

[1]郭華超等.高導(dǎo)熱聚合物/石墨烯熱界面材料研究進(jìn)展

[2]代文.石墨烯三維宏觀體的設(shè)計(jì)與調(diào)控及其在熱界面材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究

[3]王沙沙.石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有序化調(diào)控及其復(fù)合材料熱界面特性研究

（中國粉體網(wǎng)/山川）

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