天津大學封偉教授團隊采用簡單的高溫退火策略制備了一種界面鍵合的三維石墨烯-碳納米管陣列異質網(wǎng)絡，并通過復合中間相瀝青進一步優(yōu)化熱壓工藝來調控復合材料的微觀結構，證明了優(yōu)異的界面穩(wěn)定性、可控熱傳輸通路的建立是改善復合材料導熱性能的有效措施。

由于器件產(chǎn)生熱流往往呈現(xiàn)出周期性、不均勻發(fā)展的特點，導致超高熱流密度引起的溫度急劇升高已經(jīng)成為限制高功率、高度集成器件發(fā)展的瓶頸問題。而在成型過程中調控材料的取向和分布來構建結構可控的高導熱分級碳基構件，已被認為是設計先進熱管理材料及其集成器件的重要思路。然而，在常用的材料制造方法中（例如定向壓縮成型），由于材料之間較弱的相互作用產(chǎn)生的結構不穩(wěn)定等因素，壓力的強定向作用通常導致材料垂直于壓力方向取向，因此常見的壓縮分級構件的面外熱導率通常被限制在較低的水平上，甚至產(chǎn)生高度各向異性的傳熱特性。近期，天津大學封偉教授團隊通過建立結構界面鍵合、結構穩(wěn)定的碳網(wǎng)絡，并提出在壓縮成型過程中調節(jié)組裝過程制備了一種新型的碳基導熱復合材料，為高性能散熱基板材料的設計和制備提供了理論基礎和技術支持。

具體而言，研究者采用真空抽濾法制備了氧化石墨烯薄膜，通過在薄膜表面旋涂正硅酸乙酯并進行熱解處理得到了負載SiO2的薄膜基底材料，進一步利用浮動催化化學氣相沉積法在基底表面可控生長垂直定向碳納米管陣列。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過簡單的一步高溫退火策略，中間層SiO2可原位轉化為高導熱SiC，實驗表征結合理論計算共同證明了SiC鍵合的三維異質網(wǎng)絡體系具備更穩(wěn)定的界面，這對界面熱傳輸性能的提升具有重要作用。（圖1）

圖1. 三維導熱網(wǎng)絡的結構設計與形貌表征

值得注意的是，通過控制三維異質網(wǎng)絡的組裝過程還可進一步調控導熱材料的形貌以及結構，特別是取向結構的調控對于導熱性能的優(yōu)化具有重要意義。研究者發(fā)現(xiàn)兼具界面相容性組裝制備的O-VA-GF相比S-VA-GF導熱材料內部的碳納米管形成了更加致密、均勻的界面以及具備更高的垂直取向性，這可極大地提高復合材料內部的熱量跨平面輸運效率。綜合復合材料的傳熱特性，將O-VA-GF、S-VA-GF以及傳統(tǒng)的Si3N4材料分別與散熱器集成為冷卻系統(tǒng)，并對大功率發(fā)光二極管的散熱過程進行對比（圖2）。經(jīng)過實驗驗證和Comsol熱仿真模擬，O-VA-GF顯示出更優(yōu)異的冷卻效率，該結果有望滿足電子封裝、5G通訊以及軍工領域日益增長的散熱需求。

圖2. 導熱復合材料作為散熱基板冷卻大功率發(fā)光二極管的應用

論文信息：

Tailoring Dense, Orientation–tunable, and Interleavedly Structured Carbon–based Heat Dissipation Plates

Lianqiang Peng, Huitao Yu, Can Chen, Qingxia He, Heng Zhang, Fulai Zhao, Mengmeng Qin, Yiyu Feng,* and Wei Feng*

Advanced Science

https://doi.org/10.1002/advs.202205962

來源：AdvancedScienceNews