清華新聞網(wǎng)1月21日電 熱界面材料是用于填充固體與固體之間界面間隙的導(dǎo)熱功能材料，是解決電子器件、新能源、高能激光等領(lǐng)域熱管理問(wèn)題不可或缺的重要基礎(chǔ)材料。高性能熱界面材料要求同時(shí)具備良好的熱學(xué)和力學(xué)特性，即高熱導(dǎo)率和低楊氏模量，然而，通常材料的熱導(dǎo)率提高與楊氏模量降低是一對(duì)內(nèi)在矛盾。根據(jù)經(jīng)典的麥克斯韋-加內(nèi)特（Maxwell-Garnett）模型，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著導(dǎo)熱填料摻雜量的增加而增加，而根據(jù)額舍耳比（Eshelby）理論，復(fù)合材料的楊氏模量也會(huì)隨著導(dǎo)熱填料的增加而急劇增加。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率和低楊氏模量成為熱界面材料研發(fā)的難點(diǎn)。目前工程上制備熱界面材料使用的典型導(dǎo)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(dǎo)熱填料的力學(xué)強(qiáng)度（~GPa）遠(yuǎn)大于基體聚合物（~100 kPa），導(dǎo)致高摻雜復(fù)合材料的柔性較差。
為了解決這一難題，航天航空學(xué)院曹炳陽(yáng)教授課題組提出了一種固體顆粒和液態(tài)金屬協(xié)同摻雜策略用于制備高性能熱界面材料。將液態(tài)金屬與固體顆粒共同作為導(dǎo)熱填料，其中液態(tài)金屬作為主體導(dǎo)熱填料，起到構(gòu)建導(dǎo)熱通路的作用，而固體顆粒填料起到進(jìn)一步強(qiáng)化導(dǎo)熱的作用。由于固體顆粒填料的摻雜量較小，復(fù)合材料的楊氏模量只略微增加。通過(guò)液態(tài)金屬與固體顆粒導(dǎo)熱填料的協(xié)同作用，既能提高熱界面材料的熱導(dǎo)率，又能使其保持較小的楊氏模量。測(cè)試表明，體積分?jǐn)?shù)為55%鎵基液態(tài)金屬和15%銅顆粒作為填料時(shí)，制備出的熱界面材料具有3.94W/（m?K）的熱導(dǎo)率和699kPa的楊氏模量。采用其他體積分?jǐn)?shù)填充時(shí)，熱界面材料的熱導(dǎo)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(tài)金屬協(xié)同摻雜的熱界面材料：制備過(guò)程及柔性展示
實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同液態(tài)金屬和固體填料體積分?jǐn)?shù)時(shí)熱界面材料的熱導(dǎo)率和彈性模量。隨著液態(tài)金屬體積分?jǐn)?shù)的增加，熱界面材料的熱導(dǎo)率會(huì)快速增加。隨著銅顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，熱界面材料的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先緩慢增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)銅顆粒體積分?jǐn)?shù)增加到15%時(shí)，熱界面材料的熱導(dǎo)率增大達(dá)到3.9 W/（m·K），而銅顆粒體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，熱導(dǎo)率反而下降，這是由于銅顆粒的加入會(huì)擠占液態(tài)金屬的空間，使聚合物變得更加粘稠，熱界面材料內(nèi)部出現(xiàn)的氣泡降低了熱界面材料的熱導(dǎo)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?jǐn)?shù)，還是增加液態(tài)金屬的體積百分?jǐn)?shù)，都會(huì)導(dǎo)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?jǐn)?shù)的變化
制備的熱界面材料經(jīng)過(guò)200次的35°C-55°C高低溫循環(huán)測(cè)試，其熱導(dǎo)率和楊氏模量基本保持不變，具有很好的應(yīng)用可靠性。針對(duì)大界面間隙應(yīng)用場(chǎng)景，以50W LED作為熱源，風(fēng)冷翅片散熱器作為冷源，比較了協(xié)同摻雜熱界面材料和導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊等商用熱界面材料的導(dǎo)熱性能，測(cè)試表明協(xié)同摻雜熱界面材料的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)好于導(dǎo)熱硅脂，和導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱性能相當(dāng)。與兩種商用熱界面材料相比，協(xié)同摻雜熱界面材料具有可重復(fù)使用的優(yōu)勢(shì)。
圖3 不同熱界面材料用于LED散熱場(chǎng)景的性能對(duì)比
不同種類(lèi)熱界面材料的熱導(dǎo)率和楊氏模量差別很大，僅使用單一參數(shù)難以比較不同熱界面材料的熱學(xué)和力學(xué)綜合性能。為此，參考介電固體的熱導(dǎo)率與楊氏模量之間的近似關(guān)系，提出了描述熱界面材料性能的熱力綜合性能系數(shù)η=k/E1/2（k為熱導(dǎo)率，E為楊氏模量），綜合性能系數(shù)η越大，熱界面材料的熱學(xué)和力學(xué)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(shù)，與純液態(tài)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(tài)金屬協(xié)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(tài)金屬填料的協(xié)同效應(yīng)為解決熱界面材料的力學(xué)和熱性能的權(quán)衡問(wèn)題提供了廣闊的空間。
圖4 不同熱界面材料的熱學(xué)和力學(xué)綜合性能系數(shù)
近日，上述研究成果以“一種液態(tài)金屬與固體填料協(xié)同摻雜的策略制備兼具高熱導(dǎo)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(fā)表在國(guó)際期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上。論文通訊作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹炳陽(yáng)教授，第一作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后張旭東，清華大學(xué)航院博士生張梓彤和醫(yī)學(xué)院博士后汪鴻章參與了合作研究。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目、博士后基金項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20713
供稿：航院
編輯：陳曉艷
審核：郭玲
