隨著半導體器件朝著微型化、高度集成化方向發展所帶來的功率密度的提高，電子設備的發熱量越來越大，熱失效已經成為阻礙電子設備性能和壽命的首要問題。據統計，電子器件的溫度每升高10℃-15℃，其相應的使用壽命將會降低50%。高效的熱管理技術是解決這一問題的關鍵，其中一種有效的方法就是在發熱源和散熱器之間填充一層熱界面材料。性能優異的熱界面材料需要同時具有高的導熱係數和良好的可壓縮性，但是這兩個特徵很難同時滿足。比如大多數金屬具有高的導熱係數（70Wm-1K-1–400Wm-1K-1），但是其壓縮模量也很高（70GPa–120GPa），難以填充發熱晶片和熱沉之間的縫隙；而矽膠雖然具有很低的壓縮模量（0.3MPa–2MPa），但是其導熱係數只有0.1W m-1K-1–0.3W m-1K-1，難以滿足熱界面材料對縱向熱傳導的需求。在矽膠中加入高導熱的填料雖然可以提高導熱係數，但同時也提高了壓縮模量。據相關文獻報導，在PDMS中加入垂直排列的碳納米管陣列後，面外熱導率提高到25W m-1K-1，但是壓縮模量也增加到10MPa。因此，開發同時具有高導熱係數和低壓縮模量的熱界面材料尤為重要。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業部功能碳素材料團隊製備了一種基於垂直排列石墨烯結構的具有高導熱係數低壓縮模量的熱界面材料。該材料的製備過程如圖1所示：對抽濾的石墨烯紙施加橫向機械力，使石墨烯具有褶皺結構，然後施加壓力得到密實的石墨烯導熱墊。該方法使得石墨烯紙的取向由水平變成垂直，實現了石墨烯紙水平傳熱到垂直傳熱的轉變。 圖1 石墨烯導熱墊的製備流程 圖2（a–k）為石墨烯導熱墊在製備過程中各階段的形貌變化，最終的石墨烯導熱墊在微觀上呈現多層結構，中間以垂直排列的石墨烯為主，頂部和底部有一薄層水平排列的石墨烯，整體結構與蜂巢板類似（如圖2（l））。實驗所用的作為原料的石墨烯紙的面內熱導率為273 W m -1K -1，經過結構轉制之後所得到的的石墨烯導熱墊的縱向熱導率為143 W m -1K -1（轉化率達52%），已經超過了大多數的金屬（如Mo、Zn、In、Ni、Fe等），相應的結果見圖3（a–d）。除了擁有高的導熱係數，該石墨烯導熱墊還具有與矽膠相當的壓縮模量，僅有0.87MPa，遠低於金屬材料（圖3d），有利於在封裝時產生變形，實現較低的接觸熱阻。在30%壓縮率下，石墨烯導熱墊的面外熱導率仍超過了100 W m -1K -1，接觸熱阻低至5.8 Kmm2 W-1，如圖3（e–g）所示。
圖2 石墨烯導熱墊的形貌變化
圖3 石墨烯導熱墊熱導率以及熱阻 在實際的熱界面性能評測實驗中，以石墨烯導熱墊作為熱界面材料的系統熱源溫降達到65℃，遠高於應用商用熱界面材料所實現的溫降（38℃），實驗結果如圖4（a–c）所示。圖4（d–e）為CFD仿真軟體對散熱過程的模擬，結果顯示石墨烯導熱墊的接觸熱阻低於主流的商用導熱墊。在圖4f中，石墨烯導熱墊表現出了良好的熱循環穩定性，在經過2500次熱衝擊測試後散熱性能性波動低於0.5%；除此之外，該石墨烯導熱墊還具有長時穩定性，在20Wcm-2的功率下連續工作7天，加熱片與環境溫度的差值無明顯變化（圖4g），顯示出良好的熱衝擊穩定性以及長程穩定性。目前相關工作已經發表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05163)。該研究工作獲得國家重點研發計劃（2017YFB0406000）、中國科學院戰略重點研究計劃（XDA22000000）、中科院裝備（YZ201640）、寧波市重大專項（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國際合作（2017D10016）的資助。
圖4 石墨烯導熱墊的熱界面性能測試及仿真
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