隨著器件集成度的提高和使用環(huán)境的日益復(fù)雜，熱界面材料在實(shí)際應(yīng)用中往往面臨著界面接觸差、應(yīng)力集中等問(wèn)題。這些問(wèn)題容易導(dǎo)致材料發(fā)生不規(guī)則變形、熱膨脹和擠壓，甚至出現(xiàn)振動(dòng)，從而造成溫度梯度過(guò)大和局部溫度過(guò)熱的情況。這不僅會(huì)導(dǎo)致界面層分離、熱控制失效和工程失效。因此，為了確保良好的散熱效果，我們需要設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境、與不規(guī)則、粗糙和動(dòng)態(tài)的接觸表面實(shí)現(xiàn)緊密貼合。同時(shí)，在不同的溫度場(chǎng)中，這種材料還需要保持良好的快速熱疏導(dǎo)能力。新型柔彈性導(dǎo)熱材料將成為解決這一問(wèn)題的重要策略之一。通過(guò)構(gòu)筑定向的石墨烯垂直陣列與液態(tài)金屬雙連續(xù)導(dǎo)熱通路，并且合理設(shè)計(jì)具有超低模量，高變形性的刷形聚合物，可以提供解決高導(dǎo)熱-低模量難以兼顧的新策略。
近日，天津大學(xué)封偉教授領(lǐng)導(dǎo)的FOCC團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種高性能聚合物基軟彈性的導(dǎo)熱復(fù)合材料。首先，首先通過(guò)真空輔助工藝將垂直排列的石墨烯氣凝膠（VGA）與刷形聚二甲基硅氧烷（BPDMS）復(fù)合，結(jié)合激光刻蝕技術(shù)在VGA/BPDMS材料表面設(shè)計(jì)了相互連接的液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)路徑，制備了圖案化液態(tài)金屬/石墨烯氣凝膠/刷狀聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料（LM-VGA/BPDMS）（圖1a）。引入低彈性模量的刷狀聚合物賦予LM-VGA/BPDMS卓越的彈性和柔軟性。液態(tài)金屬的網(wǎng)絡(luò)路徑具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和可變形性，極大地提高了LM-VGA/BPDMS復(fù)合材料與加熱器/散熱器接觸時(shí)的熱傳遞性能。所制備的LM-VGA/BPDMS復(fù)合材料與最先進(jìn)的商業(yè)TIMs相比在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)界面熱傳遞能力方面的優(yōu)越性。本文研究結(jié)果為可重復(fù)使用的高性能TIMs的構(gòu)建提供了深入的見(jiàn)解，這在動(dòng)態(tài)界面熱管理和復(fù)雜環(huán)境中的熱感應(yīng)等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。
1 材料合成及表征
2 力學(xué)性能
圖2. 刷型聚二甲基硅氧烷及LM-VGA/BPDMS的力學(xué)性能
（3） 雙連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)路的導(dǎo)熱性能
（4） 動(dòng)態(tài)熱管理
圖4. LM/VGA/BPDMS復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)熱管理能力
5 不規(guī)則界面?zhèn)鳠峒盁醾鞲?/span>
圖5. LM/VGA/BPDMS復(fù)合材料不規(guī)則界面?zhèn)鳠嵝阅芗盁岣兄獞?yīng)用
因此本文結(jié)論如下：
1) 通過(guò)構(gòu)筑垂直定向石墨烯和定向連續(xù)液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)的雙重?zé)醾鲗?dǎo)網(wǎng)絡(luò)， N-LM-VGA/BPDMS復(fù)合材料表現(xiàn)出高效的熱傳遞性能，包括高導(dǎo)熱率（κ⊥ = 7.11 Wm–1K–1和κ// = 4.47 Wm–1K–1）和低熱接觸阻力（Rc = 14.1 Kmm2W?1, 0.04 MPa）。
2) 得益于刷狀聚二甲基硅氧烷的可變形性、超軟彈性和低模量，N-LM-VGA/BPDMS能夠承受高彈性應(yīng)變（壓縮率高達(dá)60%）并具有極低的彈性模量（低至10.13 kPa）。因此，N-LM-VGA/BPDMS復(fù)合材料不僅在與商業(yè)TIMs相比表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱效率，而且在壓力控制下還展現(xiàn)出高效穩(wěn)定的多級(jí)散熱和動(dòng)態(tài)界面散熱。
3) 此外，憑借其優(yōu)異的適應(yīng)性、柔軟性和回彈性，制備的復(fù)合材料在多種不規(guī)則界面之間的熱傳遞中具有可重復(fù)使用的潛力；谄鋬(yōu)異的熱傳遞性能和非殘留性能，該復(fù)合材料在批量芯片溫度檢測(cè)和熱感應(yīng)元件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究成果近期以“Patterned liquid metal embedded in brush-shaped polymer for dynamic thermal management”為題發(fā)表在期刊Materials Horizons上。天津大學(xué)材料學(xué)院博士生何青霞為論文第一作者，封偉教授與國(guó)家級(jí)青年人才秦盟盟研究員為論文通訊作者。該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01498c
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