1.1 研究意义
随着电子信息技术的快速发展，电子芯片与器件呈现高频化和集成化特征，导致功耗和热流密度急剧增长，如果不能及时有效解决电子芯片与器件的散热和温度控制问题，将导致器件工作性能下降，影响设备工作的可靠性，给国际热学科领域提出了一系列新的基础科学问题和前所未有的技术挑战[1]。
芯片内部热量向外部环境传递的路径依次为：芯片→热界面材料→散热器/热沉→外部环境，如图1（a）所示。研究表明，对于高热流密度芯片，芯片与散热器/热沉之间的界面热阻值最大，约占总热阻的28%，是制约系统散热能力的关键因素[2]。界面热阻主要是热接触物体（芯片和散热器/热沉）之间的表面不完全接触导致的，界面间存在大量的空隙，降低热量传递效率。热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）主要用于芯片与散热器件之间，以填充两者界面之间的空气间隙，起到“热桥”的作用，在热管理系统中扮演着极为关键和不可替代的作用，如图1所示。
图1 常规电子芯片散热路径示意图[1]
常见的TIM是在高分子聚合物基体（如有机硅、环氧树脂等）中采用随机共混的方式填充高热导率填料粒子，如银、铝、氧化铝、氧化锌、氮化硼、氮化铝、金刚石、石墨烯等，通过一定物理化学方法复合而成。但由于填料粒子的极性和表面化学基团与高分子聚合物基体的相容性很差，导致其在有机基体中很难均匀分散，且填料与有机基体相间存在较大热阻，不良的相间界面影响复合材料的导热、耐老化和机械性能。同时，为了尽可能提升TIM的导热性能，最主要的是增加导热填料的填充率，以期构建导热通路，但是过多的填充量不仅无法获得导热系数的明显提升，盲目增加填充量反而还会改变高分子聚合物的键强大小和交联强度，降低热界面材料的流动性或柔顺性，无法充分接触表面的空隙，导致界面热阻的增加。无机填料与高分子聚合物中之间存在多种因素的复杂耦合作用和制约关系，导致TIM难以同时兼顾高导热、低热阻和柔韧性等综合性能。
综上所述，界面散热涉及传热学、材料学、有机化学等多学科交叉，成为电子设备热管理的瓶颈问题之一。通过导热填料和有机聚合物的协同匹配，构建高效导热通路，掌握新型高性能TIM设计策略与制备工艺，有助于拓展传热学的学科内涵及应用，有效解决电子器件散热“卡脖子”难题，具有重要的学术意义和工程应用价值。
1.2 国内外研究现状
为了解决传统随机共混TIM热导率低、力学性能差的问题，研究者们主要从以下几个方面入手（见图2）：（1）采用具有高导热性能的新基体与填料；（2）通过对热界面材料导热特性的深入研究，采用具有定向排列结构的导热通路可控构建方法；（3）对填料进行表面修饰改性，改善与基体的界面相容性，有效降低相间界面热阻[1]。 
图2提升TIM性能的主要方法和手段[3]
近年来，国内外学者分别从高导热液态金属、定向排列导热通路构建、表面修饰改性、复合材料热传导机理和预测模型等方面开展了大量研究工作，以期制备出具有高导热、低热阻并兼具柔顺性的TIM[4,5]。
1.2.1定向排列填料结构的TIM研究
低维材料具有优异的导热性能，例如石墨烯面内导热系数为5300W/(m∙K)，利用低维材料在特定方向具有极高热导率的特点，可以有效解决填料随机填充时导热路径连通效率低的问题[6,7]。相比其它填料，石墨烯具有更为优异的柔性，通过对导热网络微观结构上的设计，石墨烯分布于整个基体材料中，能够增加总的界面面积，以实现应力更加均匀和高效传递，使TIM具有更好的力学性能（高柔顺性、低模量），成为近年来的研究热点。比较有代表性的研究成果如表1所示。
表1 具有定向排列结构的TIM设计策略
设计策略 | 导热性能 | 文献来源 |
体积含量19%的氧化石墨烯与石墨烯纳米片进行水热还原反应，获得高性能热界面材料 | 35.5 W/(m×K) | [8] |
质量分数为42.4 wt%和12.1 wt%的氧化铝颗粒与石墨烯浆料进行超声共混获得类似“豌豆荚”的结构 | 垂直方向： 13.3W/(m×K) 水平方向： 33.4 W/(m×K) | [9] |
聚氨酯海绵浸入石墨烯溶液中，在离心力的作用下石墨烯包覆在海绵骨架表面，然后经快速加热将聚氨酯海绵骨架分解，得到石墨烯连通骨架结构复合材料 | 8.04W/(m×K) | [10] |
超支化聚乙烯与含量达到16.6 wt%石墨烯纳米片共混获得石墨烯分散液，随后涂敷在PVDF滤膜上得到柔性薄膜复合材料 | 垂直方向： 2.18W/(m×K) | [11] |
1.2.2表面修饰改性研究
石墨烯材料表面光滑、表面能低、缺乏化学活性的官能团、不易被基体材料所润湿，存在难分散、易团聚、界面热阻高等缺点，直接影响了其应用效果。因此，需要对石墨烯表面进行修饰改性，通过化学或物理方法将所需功能性基团接到碳材料表面，对其进行表面进行改性、修饰及加工，以达到如下效果：①通过引入功能基团，使其易于分散，有助于定向排列；②通过改善其在基体材料中的浸润性能，消除界面间的空隙，达到提升界面间结合力和降低热阻的目的[4]。常见的表面处理方法有氧化处理、表面涂层处理、等离子处理以及超临界流体处理等。对于聚合物基体，国内外研究者通常采用而液相氧化的方法对石墨烯进行改性，可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团，且沟壑明显增多，有利于提高其与基体材料之间的结合力。进行官能化后的碳材料分散性明显改善，有效解决了添加后高分子集体黏度大幅增加、分散性降低、工艺性变差的技术难题[12]。
我们研究团队拟采用超声空化方法对石墨烯填料进行高效分散和表现改性，从而实现对导热通路的精准构建，有效降低“填料-基体-填料”相间界面的热阻，获得具有高导热和低热阻的复合热界面材料。本项目属于工程热物理和材料学的交叉研究领域，研究成果有望为新型柔性高效热界面材料的制备提供有力的技术与工艺支撑。
主要参考文献
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[2] 叶锐,张根烜,关宏山,et al.某高热流密度芯片散热设计与分析[J].电子技术（上海）, 2017,46(8):4.
[3] Feng C.P., Yan L.Y. Yang J., et al. Recent advances in polymer-based thermal interface materials for thermal management: A mini-review - ScienceDirect[J]. Composites Communications,2020, 22 100528.
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[5] 杨斌, 孙蓉. 热界面材料产业现状与研究进展[J].中国基础科学, 2020,(2):7.
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[7] 杨士萱,矫维成, 楚振明, et al. 石墨烯定向排列增强聚合物基复合材料研究进展[J].玻璃钢／复合材料, 2019,(3):9.
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[9] Chen Y., Hou X., Liao M., et al. Constructing a “pea-pod-like” alumina-graphene binary architecture for enhancing thermal conductivity of epoxy composite[J]. Chemical Engineering Journal, 2020,381(1):1.
[10] Liu Z., Chen Y., Li Y., et al. Graphene foam-embedded epoxy composites with significant thermal conductivity enhancement[J]. Nanoscale, 2019,11(38):17600-17606.
[11] Han B., Song J., Hu T., et al. High thermal conductivity in polydimethylsiloxane composite with vertically oriented graphene nanosheets by liquid-phase exfoliation[J]. Chemical Physics Letters, 2020,743.
[12] 张清杰. 官能化碳纳米管/碳纤维多尺度增强环氧树脂基复合材料基础研究 [D].北京化工大学, 2016.
