一种用于热管理的高导热石墨膜

来源 | Nano-Micro Letters

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背景介绍

超高速高频电子器件的持续小型化和集成化给高效热管理带来了重大挑战，因为它不可避免地会增加温度并降低可靠性。这些挑战在复杂的操作条件下尤为明显，例如军事、航天器、超级计算机和其他复杂场景。在这些极端应用场景中，对热管理材料提出了新的要求。液氮的低温低至77 K，是一种多用途的冷源，用于核电站和航空航天。散热包括设备产热、热管理材料传热(热传导)和冷源冷却的过程。在这些特殊工况下，大功率器件(热源)产生的大量废热可以通过换热介质传导到液氮(冷源)中。然而，由于液氮温度异常低，表面张力高，在温度变化下体积膨胀明显，该技术面临挑战。在如此复杂的使用条件下，这些因素会导致功能部件不可避免的结构损伤，从而降低散热性能。因此，在极端条件下实现结构稳定性和高性能材料设计的集成是热管理领域的关键挑战。

聚合物、陶瓷、金属等热管理材料得到了广泛的应用和发展。由于其固有的缺陷，它们无法满足复杂和极端场景的需求。碳基材料，如高导热石墨薄膜(GF)，具有低密度、优异的柔韧性、低热膨胀系数和固有的耐化学性等优点，是传统导热材料的一个很有前途的替代品。然而，使用交联聚合物会降低导热系数，塑化拉伸只能消除薄膜的部分内部缺陷，在极端条件下无法解决其固有的结构不稳定性。

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成果掠影

近日，浙江大学高超、许震和刘英军老师以及明鑫博士针对用于高功率电子器件热管理的高导热石墨薄膜(GF)材料开发取得最新进展。该文首次研究了GF在循环液氮冲击(LNS)中的结构破坏机制，揭示了一个以“渗透-扩散-变形”现象为特征的鼓泡过程。为了克服这一长期存在的结构弱点，提出了一种新的金属-纳米盔甲策略来构建具有无缝异质界面的Cu修饰石墨膜(GF@Cu)。这种精心设计的接口确保了在77至300 K的数百次LNS循环后GF@Cu的优越结构稳定性。此外，GF@Cu在150次LNS循环后仍保持高达1088 W/mK的高导热率，降解率低于5%，优于纯GF(50%降解)。我们的工作不仅为通过合理的结构设计提高石墨薄膜的稳健性提供了机会，而且还促进了导热碳基材料在未来复杂航空航天电子产品中极端热管理的应用。研究成果以“Highly Thermally Conductive and Structurally Ultra‑Stable Graphitic Films with Seamless Heterointerfaces for Extreme Thermal Management”为题发表在《Nano Micro Letters》。

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图文导读

图1. 极端环境下GF结构起泡破坏机理。

图2. GF在循环LNS过程中的结构破坏机制。

图3. 构建Cu修饰结构的无缝异质界面设计。

图4. 无缝异质界面对GF导热系数的影响。

图5. 全面的功能性能GF@Cu供实际应用。

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