【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著電子器件向高性能、小型化發(fā)展，芯片功率密度提升帶來的熱管理問題成為制約器件穩(wěn)定性的關(guān)鍵瓶頸。碳基高導(dǎo)熱材料在面內(nèi)熱導(dǎo)率超過1500 W/m·K時，面外熱導(dǎo)率普遍低于8 W/m·K，甚至只有4-5 W/m·K，難以滿足高功率器件三維熱傳導(dǎo)需求。近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧、何朋團(tuán)隊聯(lián)合寧波大學(xué)王剛團(tuán)隊在《Advanced Functional Materials》發(fā)表研究，提出以芳綸膜為前驅(qū)體通過高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導(dǎo)熱石墨膜，在膜厚度達(dá)到40微米的情況下實現(xiàn)面內(nèi)熱導(dǎo)率Kin達(dá)到1754 W/m·K，面外熱導(dǎo)率Kout突破14.2 W/m·K。
圖1. 雙向高導(dǎo)熱石墨膜的導(dǎo)熱性能及其在電子熱管理中的應(yīng)用
傳統(tǒng)石墨膜制備以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，面臨氣體逸散導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅(qū)體，利用其低氧含量(~11%)和氮摻雜特性(氮含量~9%)，在3000 ℃高溫處理時實現(xiàn)缺陷自修復(fù)、晶粒定向生長及氣體逸散優(yōu)化。芳綸中氮原子促進(jìn)晶格缺陷修復(fù)，退火后雙向高導(dǎo)熱石墨膜缺陷指標(biāo)ID/IG低至0.008；芳綸分子中有序苯環(huán)為石墨晶格提供生長模板，使面內(nèi)晶粒尺寸(La)達(dá)2179 nm、面外有序堆疊尺寸(Lc)達(dá)53 nm。雙向高導(dǎo)熱石墨膜通過結(jié)構(gòu)調(diào)控展現(xiàn)出優(yōu)異的雙向?qū)嵝阅埽好鎯?nèi)熱導(dǎo)率1754 W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升17%；面外熱導(dǎo)率14.2 W/m·K，提升118%，突破碳基薄膜面外熱導(dǎo)率瓶頸；亂層堆垛比例僅1.6%，接近理想石墨AB堆疊結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)導(dǎo)熱膜相比，雙向高導(dǎo)熱石墨膜在面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率及缺陷控制上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在智能手機(jī)散熱模擬中，搭載雙向高導(dǎo)熱石墨膜的芯片表面最高溫度從52 ℃降至45 ℃；在2000 W/cm²熱流密度的高功率芯片散熱中，AGFs使芯片表面溫差從50 ℃降至9 ℃，實現(xiàn)快速溫度均勻化。
圖2. 雙向高導(dǎo)熱石墨膜制備機(jī)制示意圖
該研究揭示了芳綸前驅(qū)體在石墨膜制備中的獨特優(yōu)勢，證明了氮摻雜與低氧含量前驅(qū)體可提升石墨膜結(jié)晶質(zhì)量和雙向?qū)崽匦裕潆p向?qū)嵝阅芡黄瓶蔀?G芯片、功率半導(dǎo)體等高功率器件熱管理提供關(guān)鍵材料和技術(shù)支撐。相關(guān)成果以“Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials. 2025, 2425824. (https://doi.org/10.1002/adfm.202425824)，論文第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生鄭豪龍、楊舒景，研究獲國家自然科學(xué)基金等項目支持。
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