學院曹炳陽課題組在柔性熱界面材料領域取得新進展

熱界面材料是用于填充固體與固體之間界面間隙的導熱功能材料,是解決電子器件、新能源、高能激光等領域熱管理問題不可或缺的重要基礎材料。高性能熱界面材料要求同時具備良好的熱學和力學特性,即高熱導率和低楊氏模量,然而,通常材料的熱導率提高與楊氏模量降低是一對內在矛盾。根據經典的麥克斯韋-加內特(Maxwell-Garnett)模型,復合材料的熱導率隨著導熱填料摻雜量的增加而增加,而根據額舍耳比(Eshelby)理論,復合材料的楊氏模量也會隨著導熱填料的增加而急劇增加。因此,如何同時實現高熱導率和低楊氏模量成為熱界面材料研發的難點。目前工程上制備熱界面材料使用的典型導熱填料包括α-氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯等,但是由于固體導熱填料的力學強度(~GPa)遠大于基體聚合物(~100 kPa),導致高摻雜復合材料的柔性較差。

為了解決這一難題,澳門所有娛樂官方網站鏈曹炳陽教授課題組提出了一種固體顆粒和液態金屬協同摻雜策略用于制備高性能熱界面材料。將液態金屬與固體顆粒共同作為導熱填料,其中液態金屬作為主體導熱填料,起到構建導熱通路的作用,而固體顆粒填料起到進一步強化導熱的作用。由于固體顆粒填料的摻雜量較小,復合材料的楊氏模量只略微增加。通過液態金屬與固體顆粒導熱填料的協同作用,既能提高熱界面材料的熱導率,又能使其保持較小的楊氏模量。測試表明,體積分數為55%鎵基液態金屬和15%銅顆粒作為填料時,制備出的熱界面材料具有3.94W/(m?K)的熱導率和699kPa的楊氏模量。采用其他體積分數填充時,熱界面材料的熱導率在0.2-4.0W/(m?K)之間變化,楊氏模量在15-1500kPa之間變化。

圖1 固體顆粒和液態金屬協同摻雜的熱界面材料:制備過程及柔性展示

實驗測試了不同液態金屬和固體填料體積分數時熱界面材料的熱導率和彈性模量。隨著液態金屬體積分數的增加,熱界面材料的熱導率會快速增加。隨著銅顆粒體積分數的增加,熱界面材料的熱導率呈現先緩慢增加后下降的趨勢,當銅顆粒體積分數增加到15%時,熱界面材料的熱導率增大達到3.9 W/(m·K),而銅顆粒體積分數為20%時,熱導率反而下降,這是由于銅顆粒的加入會擠占液態金屬的空間,使聚合物變得更加粘稠,熱界面材料內部出現的氣泡降低了熱界面材料的熱導率。研究表明熱界面材料的楊氏模量主要是由銅顆粒與聚合物體積百分比決定的,楊氏模量隨著二者體積百分比的增加而快速增加。因此,不論是直接增加銅顆粒的體積百分數,還是增加液態金屬的體積百分數,都會導致熱界面材料楊氏模量的增加。

圖2 熱界面材料的熱物性隨銅體積分數的變化

制備的熱界面材料經過200次的35°C-55°C高低溫循環測試,其熱導率和楊氏模量基本保持不變,具有很好的應用可靠性。針對大界面間隙應用場景,以50W LED作為熱源,風冷翅片散熱器作為冷源,比較了協同摻雜熱界面材料和導熱硅脂、導熱墊等商用熱界面材料的導熱性能,測試表明協同摻雜熱界面材料的導熱性能遠好于導熱硅脂,和導熱墊的導熱性能相當。與兩種商用熱界面材料相比,協同摻雜熱界面材料具有可重復使用的優勢。

圖3 不同熱界面材料用于LED散熱場景的性能對比

不同種類熱界面材料的熱導率和楊氏模量差別很大,僅使用單一參數難以比較不同熱界面材料的熱學和力學綜合性能。為此,參考介電固體的熱導率與楊氏模量之間的近似關系,提出了描述熱界面材料性能的熱力綜合性能系數η=k/E1/2(k為熱導率,E為楊氏模量),綜合性能系數η越大,熱界面材料的熱學和力學綜合性能越好。圖4所示不同熱界面材料的熱力綜合性能系數,與純液態金屬摻雜的熱界面材料和純固體填料摻雜的熱界面材料相比,固體顆粒和液態金屬協同摻雜的熱界面材料具有最佳的綜合性能。固體顆粒和液態金屬填料的協同效應為解決熱界面材料的力學和熱性能的權衡問題提供了廣闊的空間。

圖4 不同熱界面材料的熱學和力學綜合性能系數

近日,上述研究成果以“一種液態金屬與固體填料協同摻雜的策略制備兼具高熱導率與低楊氏模量的熱界面材料”(Thermal Interface Materials with High Thermal Conductivity and Low Young’s Modulus Using a Solid–Liquid Metal Codoping Strategy)為題,發表在國際期刊《美國化學學會-應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊上。論文通訊作者為澳門所有娛樂官方網站鏈曹炳陽教授,第一作者為澳門所有娛樂官方網站鏈博士后張旭東,清華大學學院博士生張梓彤和醫學院博士后汪鴻章參與了合作研究。該研究得到國家自然科學基金重點項目、青年基金項目、博士后基金項目等的支持。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20713

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