浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊ACS Nano：新型Janus結(jié)構(gòu)熱界面材料，兼具高效散熱與超強(qiáng)抗振性能

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品向小型化、集成化方向發(fā)展，功率密度的持續(xù)攀升使得界面處的熱管理成為制約器件可靠性的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)熱界面材料在穩(wěn)態(tài)熱條件下尚能勝任，但面對高功率航空航天系統(tǒng)中的瞬態(tài)熱沖擊和電動汽車中的復(fù)雜機(jī)械振動時，往往會發(fā)生界面分層和材料疲勞，導(dǎo)致導(dǎo)熱性能急劇下降，甚至引發(fā)器件失效。盡管已有研究通過引入一維或二維填料來提升熱導(dǎo)率，或在三維碳泡沫骨架中浸漬相變材料以增強(qiáng)熱緩沖能力，但這些策略通常會使復(fù)合材料剛性化，難以在連續(xù)振動下適應(yīng)界面微形變，從而導(dǎo)致接觸熱阻激增和疲勞開裂。如何在單一材料中同時實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率、熱沖擊緩沖和振動適應(yīng)性，成為該領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)難題。

針對這一挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)高超教授、劉英軍研究員、龐凱研究員和中國空間技術(shù)研究院航天器系統(tǒng)工程研究所Li Wenjun合作，報道了一種名為J-CF/PW的Janus結(jié)構(gòu)熱界面材料。該材料由彈性且高導(dǎo)熱的碳泡沫上層與浸漬了高熵石蠟的碳泡沫下層無縫鍵合而成，以僅7.7 wt%的碳泡沫含量保留了純石蠟的高潛熱，同時在垂直和水平方向上分別實(shí)現(xiàn)了2363%和15742%的導(dǎo)熱增強(qiáng)。該材料在30%應(yīng)變下經(jīng)過10,000次壓縮循環(huán)后仍保持優(yōu)異的回彈性，并且在高達(dá)50 Hz的機(jī)械振動條件下維持穩(wěn)定的熱接觸，為動態(tài)熱管理應(yīng)用中的協(xié)同熱-力優(yōu)化建立了全新的設(shè)計范式。相關(guān)論文以“Janus-Structured Thermal Interface Materials with Superb Vibration Adaptability for Dynamic Thermal Management”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究人員通過水塑發(fā)泡、化學(xué)還原和高溫石墨化工藝制備了具有三維圓頂孔結(jié)構(gòu)的碳泡沫，隨后通過真空浸漬將熔融石蠟填充到部分碳泡沫中形成均相復(fù)合材料，最后在80℃下通過熱壓將純碳泡沫層與浸漬石蠟的碳泡沫層結(jié)合，得到了具有非對稱結(jié)構(gòu)的J-CF/PW復(fù)合材料。掃描電鏡圖像清晰地展示了這一Janus結(jié)構(gòu)的獨(dú)特形貌：上層為連續(xù)的各向異性三維圓頂狀碳網(wǎng)絡(luò)，作為彈性的機(jī)械順應(yīng)層；下層則為石蠟完全浸潤的碳泡沫復(fù)合材料；界面區(qū)域顯示上層碳泡沫被下層石蠟部分潤濕，形成了連續(xù)的無縫層間鍵合結(jié)構(gòu)，這對于最小化界面熱阻和確保動態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。該材料可以輕松切割成各種形狀以適應(yīng)不同器件，展現(xiàn)出良好的加工性。

圖1： (a) J-CF/PW制備流程示意圖。 (b) J-CF/PW的截面SEM圖像。 (c) 上層碳泡沫的SEM圖像。 (d) 充滿石蠟的碳泡沫的SEM圖像。 (e) 上層與下層之間結(jié)合界面的SEM圖像。 (f) J-CF/PW的光學(xué)照片。 (g) J-CF/PW顯示出良好的可彎曲性。

熱性能表征結(jié)果表明，J-CF/PW復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨碳泡沫含量增加而顯著提升。當(dāng)碳泡沫含量為7.7 wt%時，垂直方向熱導(dǎo)率達(dá)到4.68 W/m·K，水平方向高達(dá)30.1 W/m·K。這一各向異性的熱行為源于三維圓頂狀碳泡沫網(wǎng)絡(luò)的本征結(jié)構(gòu)——高溫石墨化處理產(chǎn)生了高度有序、無缺陷的石墨烯晶格，最大限度地減少了聲子散射并延長了平均自由程，而拱形孔壁有效地將單層石墨烯片的高面內(nèi)熱導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為互聯(lián)的三維架構(gòu)，為長程聲子輸運(yùn)提供了不間斷的路徑。值得注意的是，該材料在極低填料含量下實(shí)現(xiàn)了超越大多數(shù)已報道填料增強(qiáng)相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，同時保留了純石蠟90.54%的熔融焓。差示掃描量熱分析還顯示，經(jīng)過100次熔化-凝固循環(huán)后，J-CF/PW-7.70仍保留了91.2%的熔融焓，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在80℃熱臺上，純石蠟迅速失去結(jié)構(gòu)完整性并不可控地鋪展，而J-CF/PW則保持原始形狀，無任何熔融石蠟泄漏，這得益于自支撐的三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)通過強(qiáng)毛細(xì)管力將熔融石蠟有效限制在其微孔內(nèi)。

圖2： (a) 純石蠟和J-CF/PW的DSC曲線。 (b) J-CF/PW的熔化/凝固焓。 (c) 不同碳泡沫含量的J-CF/PW的熔化和凝固溫度。 (d) J-CF/PW-7.70經(jīng)過熱循環(huán)后的ΔHm保持率（插圖為J-CF/PW-7.70在多達(dá)100次熱循環(huán)后的DSC曲線）。 (e) 純石蠟和J-CF/PW在80°C熱臺上的光學(xué)照片。

力學(xué)性能測試進(jìn)一步驗證了該材料的卓越穩(wěn)定性。原位壓縮觀測顯示，J-CF/PW在30%應(yīng)變下發(fā)生垂直于加載方向的均勻折疊變形，應(yīng)力釋放后完全彈性恢復(fù)，未產(chǎn)生裂紋或結(jié)構(gòu)損傷。經(jīng)過10,000次30%應(yīng)變的循環(huán)壓縮后，材料仍保持穩(wěn)定的彈性行為，塑性變形僅為0.3%，應(yīng)力保持率高達(dá)94.72%。相比之下，完全浸漬石蠟的均相復(fù)合材料即使在10%的低應(yīng)變下也會發(fā)生永久塑性變形。在動態(tài)可靠性評估中，均相復(fù)合材料在1 Hz、10%應(yīng)變幅度的周期性振動下最大應(yīng)力從2.5 MPa降至0.75 MPa，伴隨結(jié)構(gòu)塌陷；當(dāng)頻率增至10 Hz時，其應(yīng)力迅速降至近乎0 MPa。而J-CF/PW在1 Hz、10 Hz乃至50 Hz的高頻振動條件下，經(jīng)過3000次循環(huán)后均未觀察到明顯的應(yīng)力衰減，展現(xiàn)出卓越的振動適應(yīng)性。這一動態(tài)穩(wěn)定性歸因于其Janus結(jié)構(gòu)——彈性碳泡沫層作為機(jī)械阻尼器，有效吸收動態(tài)能量并抑制復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)失效。

圖3： (a) J-CF/PW在30%應(yīng)變壓縮循環(huán)過程中的原位SEM觀察。 (b) J-CF/PW在壓縮循環(huán)中的微觀結(jié)構(gòu)演變。 (c) J-CF/PW在30%壓縮應(yīng)變下經(jīng)歷10,000次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (d) 壓縮循環(huán)過程中的應(yīng)力保持率、塑性變形和能量損耗系數(shù)。 (e) J-CF/PW在24小時壓縮過程中的應(yīng)力保持率。 (f) H-CF/PW在1 Hz頻率、10%應(yīng)變幅度下，應(yīng)力隨振動循環(huán)次數(shù)的變化。 (g) J-CF/PW在50 Hz頻率、10%、20%和30%應(yīng)變幅度下，應(yīng)力隨振動循環(huán)次數(shù)的變化。

圖4： (a) 不同碳泡沫含量下的垂直和水平導(dǎo)熱系數(shù)(K)。 (b) 不同碳泡沫含量下的垂直和水平導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)(TCE)。 (c) J-CF/PW與文獻(xiàn)報道的相變材料的垂直K值比較。 (d) J-CF/PW與其他報道的低填料含量（≤10 wt%）相變材料的垂直TCE比較。 (e) J-CF/PW的垂直TCE和ΔHm保持率（復(fù)合材料熔化焓與純相變基體之比）與其他報道的低填料含量相變材料的比較。 (f) 基于ASTM D5470方法，不同壓力下H-CF/PW和J-CF/PW的總界面熱阻(Rtotal)。

在實(shí)際應(yīng)用場景模擬中，研究人員構(gòu)建了芯片散熱實(shí)驗裝置。在10 W/cm2的低功率條件下，采用J-CF/PW的芯片表面穩(wěn)態(tài)溫度僅為54.7℃，比純碳泡沫和均相復(fù)合材料分別降低了19℃和7℃。這得益于J-CF/PW中上層碳泡沫的彈性和下層復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，在壓力下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的界面順應(yīng)性，顯著降低了總熱阻。在循環(huán)熱沖擊測試中，采用J-CF/PW的芯片溫度波動僅0.2℃，展現(xiàn)出良好的熱沖擊穩(wěn)定性。當(dāng)功率密度提升至30 W/cm2時，純碳泡沫因低比熱容和空氣填充空隙造成的高熱阻而迅速升溫至138℃；而J-CF/PW在石蠟熔點(diǎn)附近約70℃處出現(xiàn)溫度平臺，表明相變材料通過吸收潛熱有效延緩了系統(tǒng)溫升，最終穩(wěn)態(tài)溫度僅為93.3℃，遠(yuǎn)低于均相復(fù)合材料的124.7℃。界面熱阻測試表明，J-CF/PW在不同壓力下的總熱阻均低于均相復(fù)合材料，且在50 Hz振動循環(huán)后僅增加2.8%并保持穩(wěn)定，進(jìn)一步證實(shí)了其在實(shí)際振動條件下結(jié)構(gòu)完整性和高效傳熱性能的保持。

圖5： (a) 模擬熱界面材料實(shí)際應(yīng)用場景的系統(tǒng)示意圖。 (b, c) 陶瓷加熱器在功率為10 W/cm2時的溫度演變。 (d) 循環(huán)熱沖擊測試過程中陶瓷加熱器的溫度演變。 (e, f) 陶瓷加熱器在功率為30 W/cm2時的溫度演變。

本研究提出的Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，通過對碳泡沫骨架和相變材料的非對稱功能化，成功構(gòu)建了兼具熱沖擊緩沖能力和振動適應(yīng)性的熱界面材料。該材料在極低填料含量下實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱性能的顯著提升，同時保留了相變材料的高潛熱；在高頻振動和長期循環(huán)壓縮下表現(xiàn)出卓越的力學(xué)穩(wěn)定性，能夠在動態(tài)環(huán)境中同時緩解瞬態(tài)熱流和機(jī)械振動，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)材料難以企及的綜合性能。這一工作不僅為面向振動敏感應(yīng)用的熱界面材料設(shè)計提供了新的結(jié)構(gòu)范式，也拓展了相變復(fù)合材料在嚴(yán)苛熱管理應(yīng)用中的潛力，對于下一代高功率電子器件、電動汽車和航空航天系統(tǒng)的熱管理具有重要的指導(dǎo)意義。