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研究背景
隨著芯片功率密度不斷提升，高效散熱成為電子設備發展的關鍵瓶頸。傳統導熱界面材料（TIMs）往往難以兼顧高導熱性與優良的貼合性——導熱膏雖貼合性好但導熱系數低（<17 W/m·K），相變材料（如石蠟）易泄漏且導熱能力不足（1-10 W/m·K）。本研究通過層狀復合結構設計，成功解決了這一矛盾。
核心創新：GPOS復合材料
研究團隊提出一種新型層狀復合材料（GPOS），其結構如圖1所示：

制備工藝亮點：

1. 改性石蠟（POS）：通過添加烯烴嵌段共聚物（OBC）和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）并交聯，形成穩定聚合物骨架，解決泄漏問題。
2. 垂直石墨烯薄膜（VAGF）：將高導熱石墨烯薄膜（平面導熱系數達2000 W/m·K）切割后垂直排列，構建導熱通道。
3. 層層滾壓組裝：將石墨烯與POS交替堆疊后滾壓成圓柱體，切片得到最終復合材料。

性能突破
1. 超高熱導率
通過相變材料（POS）與石墨烯的協同效應，GPOS在55°C時垂直導熱系數高達789 W/m·K，遠超商用材料（見圖3c）：


2. 低接觸熱阻
得益于POS的熔融流動性，GPOS在60 psi壓力下接觸熱阻低至17 K·mm²/W，接近導熱膏性能（5-20 K·mm²/W），且無泄漏風險。
3. 熱管理效率對比
在模擬芯片測試中（30 W/cm²熱流密度），GPOS使芯片溫升僅30°C，遠低于商用碳纖維墊（73°C）和石墨烯墊（53°C）（圖5b）。
散熱機制揭秘
通過紅外監測與數值模擬（圖4），發現相變材料在熔化時吸收大量熱量，形成額外溫度梯度（ΔT?????），加速熱量向石墨烯層傳遞：


協同作用流程：
POS吸熱（相變潛熱）→ 產生溫度梯度 → 石墨烯高速導熱 → 熱量快速散發
應用前景

• 高功率芯片散熱：適用于5G基站、AI芯片等高溫場景。
• 可擴展制造：滾壓組裝工藝易于規模化生產。
• 長期穩定性：經過3600次熱循環后仍保持性能穩定（圖5e）。

總結
這項研究通過石墨烯垂直排列+相變材料限流的巧秒設計，實現了導熱性與貼合性的雙重突破，為下一代電子設備的熱管理提供了可行路徑。https://doi.org/10.1021/acsnano.5c17391

轉自《石墨烯研究》公眾號