隨著半導(dǎo)體器件功率密度的提高，“散熱”已經(jīng)成為阻礙電子設(shè)備性能和壽命的首要問題。據(jù)統(tǒng)計，電子器件的溫度每升高10℃-15℃，其相應(yīng)的使用壽命將會降低50%。因此，開發(fā)用于高功率密度熱管理的高性能熱界面材料顯得尤為重要。

近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團(tuán)隊與合作者制備了一種基于石墨烯紙的高性能熱界面材料。該材料的制備流程如圖1a所示：首先采用正硅酸乙酯（TEOS）于弱堿性環(huán)境中水解的方法在氧化石墨烯（GO）表面修飾納米二氧化硅顆粒（SiO₂ NPs）；然后將得到的GO/SiO₂ NPs與石墨烯粉末混合，并采用抽濾的方法制備復(fù)合石墨烯薄膜，實現(xiàn)納米尺度的硅源（SiO₂ NPs）均勻分布于石墨烯層間；最后對該復(fù)合石墨烯薄膜進(jìn)行快速熱處理，將硅源原位轉(zhuǎn)化成碳化硅納米線，得到具備碳化硅-石墨烯復(fù)式結(jié)構(gòu)的石墨烯紙（Graphene hybrid paper，GHP），其斷面結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

由于連接于石墨烯層間的碳化硅納米線形成了縱向的導(dǎo)熱通路，GHP的縱向熱導(dǎo)率（10.9W/mK）相對于石墨烯紙（GP，6.8W/mK）提高了60%。另外，如圖1c所示，在75psi的壓應(yīng)力下，壓縮狀態(tài)下GHP的縱向熱導(dǎo)率被進(jìn)一步提高到17.6W/mK，高于傳統(tǒng)的石墨烯紙以及大部分的商用熱界面材料，包括導(dǎo)熱硅膠墊，導(dǎo)熱硅脂以及導(dǎo)熱凝膠等（圖1d）。

在實際的熱界面性能評測實驗中，以GHP為熱界面材料的系統(tǒng)溫降高達(dá)18.3℃，超過商用熱界面材料溫降（8.9℃）的兩倍，散熱效率相提高了27.3%，實驗結(jié)果如圖2a-c所示。圖2d-e為CFD仿真軟件對散熱過程的模擬，結(jié)果顯示：GHP不僅有著較高的縱向熱導(dǎo)率，其接觸熱阻也低于主流的商用導(dǎo)熱墊。另外，相對于硅膠基的商用熱界面材料，GHP完全由無機(jī)的碳化硅和石墨烯組成，擁有更好的熱穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性。目前相關(guān)的工作已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07337) 。

該研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0406000)、中科院裝備（YZ201640）、寧波市重大專項（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國際合作（2017D10016）的資助。

圖1 GHP的制備流程及相關(guān)的結(jié)構(gòu)、性能表征

圖2 GHP的熱界面性能測試及仿真