一种具有高导热性的CVGNPs/PVA热界面材料

来源 | Composites Part B

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背景介绍

随着电子产品逐渐向轻量化和多功能化的方向发展，要求更高的集成度导致设备功率密度的增加。因此电子产品在工作中会产生过多热量大大降低了相应设备的性能和寿命，所以散热成为制约电子器件进一步发展的瓶颈。散热的主要挑战之一是由表面粗糙度引起的电子器件和散热器配合表面的微观间隙所引起的界面热阻。这可能导致性能恶化，甚至降低设备的使用寿命。

为了填补微观间隙并减少界面热阻，通常在电子器件和散热器之间放置热界面材料(TIMs)。值得注意的是，界面热阻主要来源于两个因素:TIMs的热阻和接触热阻，前者由TIMs的厚度和导热率决定，后者部分取决于TIMs的柔韧性。不幸的是，高导热性和高柔韧性之间的相互制约限制了TIMs的发展。为了获得具有高导热性的柔性材料，将金属、陶瓷、碳基材料等本质上具有高导热性的填料与聚合物结合。

碳基材料，如石墨烯、碳纳米管、金刚石和碳纤维是最有希望的候选材料。由于石墨烯具有极高的面内导热系数(~5300 W/mK)，填充石墨烯可以增强高分子材料的导热性。然而，由于石墨烯在聚合物材料中的分散和排列不良，往往无法取得优异的结果。研究表明，石墨烯形成的三维网络，如石墨烯泡沫、垂直石墨烯和石墨烯气凝胶，可以提高材料的通平面导热性。

改善材料通平面导热性的方法是构建沿通平面方向排列填料。例如，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的垂直石墨烯阵列已被证明具有优异的通平面导热性，而通过静电植束方法将碳纤维填料垂直排列可提高所得复合材料的通平面导热性。此外，还深入研究了力场、磁场和定向冻结来排列填料，从而大大提高了复合材料的热性能。

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成果掠影

近期，厦门大学张学骜教授团队针对开发具有定向排列的的热界面材料取得最新进展。基于该团队之前对垂直碳纤维组成的TIMs的研究，本文利用石墨烯纳米片(GNPs)取代了这些纤维，因为它们具有高导热性和片层结构。这有助于增加相邻GNPs之间的接触面积，提高复合材料的导热性。在本研究中，利用旋转磁场将石墨烯纳米片(GNPs)共平面排列在聚乙烯醇(PVA)中，显著提高了复合材料的导热性。共面垂直排列的GNPs/PVA (CVGNPs/PVA)的通平面导热系数为11.78 W/mK，比无序分布的GNPs (1.14 W/mK)高出约10倍。旋转磁场促进了GNPs的排列，增加了相邻GNPs之间的面对面接触，从而显著提高了复合材料的通面导热系数。CVGNPs/PVA复合材料的压缩模量仅为1.06 MPa，并且有助于将热界面阻力降低到49 mm² K/W。这些结果为制备优异的TIMs提供了一种新的方法，可以用于各种应用。研究成果以“Aligning graphene nanoplates coplanar in polyvinyl alcohol by using a rotating magnetic field to fabricate thermal interface materials with high through-plane thermal conductivity ”为题发表于《Composites Part B 》。

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图文导读

图1.CVGNPs/PVA材料的制备流程示意图和结构表征。

图2.无磁场、具有静态磁场，磁场分别绕z轴和y轴旋转制备的复合材料原理图和扫描电镜图像。

图3.磁场作用下GNPs的几何模型和结构表征。

图4.材料的热学和力学性能、以及有限元分析示意图。

图5.研究了CVGNPs/PVA复合材料的热管理性能。

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