熱界面材料（TIMs）廣泛應(yīng)用于電子元件散熱領(lǐng)域，其主要作用為填充于芯片與熱沉之間和熱沉與散熱器之間，以驅(qū)逐其中的空氣[常溫下導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/（m·K）]，使芯片產(chǎn)生的熱量能更快速地通過熱界面材料傳遞到外部，達(dá)到降低工作溫度、延長使用壽命的重要作用。

使用一種熱導(dǎo)率高于空氣的材料來填補(bǔ)接觸面形成的空氣間隙，從而提高傳熱效率，這就是所謂的熱界面材料，圖片參考資料1

熱界面材料通常要求具備高導(dǎo)熱性和高柔韌性，以確保其能有效填充接觸面間隙并提高熱傳導(dǎo)效率，然而，這兩個(gè)特性基本上是矛盾的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高導(dǎo)熱材料都是剛性的。為了解決這一矛盾，傳統(tǒng)的熱界面材料采用填充型復(fù)合材料：它由導(dǎo)熱填料（例如金屬粉體、BN、AIN）和高分子基體組成，其中高分子基體賦予復(fù)合材料易加工性和可塑性等，導(dǎo)熱填料則負(fù)責(zé)體系的高效、及時(shí)地散發(fā)熱量。

基體中導(dǎo)熱填料的分布情況（a）“海島”結(jié)構(gòu);（b）局部導(dǎo)熱鏈條;（c）貫穿基體的導(dǎo)熱路徑，圖片來源：參考資料1

“填充型復(fù)合材料”的填料分散在連續(xù)的聚合物基質(zhì)中，只有在填料含量達(dá)到或超過臨界值，聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能才會(huì)有效改善。目前制備填充型TIMs材料面臨兩方面的困境：一方面，必須增加復(fù)合材料中的填料用量才能提高熱導(dǎo)率；另一方面，填料過多會(huì)破壞聚合物基質(zhì)的連續(xù)性，導(dǎo)致柔順性下降，聚合物復(fù)合材料的適用性變差。當(dāng)TIMs內(nèi)部僅有單一填料時(shí)，即使在高填充條件下，顆粒間可能仍然有較多的空隙，這是限制TIMs導(dǎo)熱性能的重要原因。將導(dǎo)熱基體與具有不同形狀、尺寸或者種類的導(dǎo)熱填料相結(jié)合，通過填料分散以及填料堆積，在填料之間形成“橋接”的傳熱通道，可以使填料在TIMs中形成連續(xù)的導(dǎo)熱路徑。

單一填料（a）和（b）不同尺寸的混合填料的導(dǎo)熱路徑

液態(tài)金屬（liquid metal，LM）例如鎵、銦及其合金，在室溫上下具有極好的流動(dòng)性，因其柔韌性，不乏的導(dǎo)熱系數(shù)（20~30W·m^-1·K^-1）和低熱阻而受到越來越多的關(guān)注，但相較于氮化硼（250~300W·m^-1·K^-1），碳納米管（2000~6 000W·m^-1·K^-1）等其他高導(dǎo)熱填料，液態(tài)金屬稍有遜色，即使高填充量的液態(tài)金屬/聚合物熱界面材料也達(dá)不到目前的電子部件的散熱，但若將其作為輔助填料，以“液橋”的形式填料中架起利于聲子傳熱的通道，液態(tài)金屬的流動(dòng)性可以在保證柔順性的同時(shí)也能使聚合物基熱界面材料熱導(dǎo)率得到提升。

龐云嵩等[2]通過向聚二甲基硅氧烷（PDMS），鋁體系中引入鎵基液態(tài)金屬，降低球形鋁粉之間的接觸熱阻，提高了聚二甲基硅氧烷/鋁的導(dǎo)熱性能；同時(shí)，避免了高填料含量導(dǎo)致的柔順性下降問題。制備的聚二甲基硅氧烷/鋁/液態(tài)金屬熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到4.25W·m^-1·K^-1，柔順性能表現(xiàn)優(yōu)異（斷裂伸長率高達(dá)164.9%，楊氏模量僅為174kPa），與生物軟體組織的力學(xué)性能類似。

Al/LM/PDMS熱界面材料中LM以“液橋”的形式橋接Al的微觀結(jié)構(gòu)示意圖（來源參考資料2）

李俊鴻等[4]采用液態(tài)金屬（LM）作為輔助填料，填充球形氮化硼（SBN）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）熱界面材料，LM與呈“島”狀分布和SBN橋接，使熱界面材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)（4.00W·m^-1·K^-1，提高了128%）和優(yōu)異的力學(xué)性能（斷裂伸長率達(dá)到199%，提高了81%）。

參考資料：

[1]焦天明.熱界面材料的連續(xù)導(dǎo)熱路徑的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及性能研究[D].天津理工大學(xué)，2023

[2]龐云嵩，李俊鴻，楊敏，等.具有高柔順性液態(tài)金屬橋接鋁粉基熱界面材料[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2024

[3]陳沛嘉，葛鑫，梁偉杰，等.聚合物基熱界面材料與導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2022

[4]李俊鴻.基于聚合物基液態(tài)金屬熱界面材料的制備和性能研究[D].深圳大學(xué)，2023.

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