背景介绍

在不断增加的功率密度和尺寸小型化的驱动下，电子设备变得越来越热，故障也越来越快。散热是面临的一个越来越大的挑战。因此，迫切需要具有优异综合性能的先进热界面材料(TIMs)来有效地将多余的热量从热点转移到散热器，以保持电子器件所需的工作温度。

目前，传统的TIMs是通过将随机分布的纳米填料加入弹性聚合物基质中获得的，即使在高填充量(~50vol%)下，导热系数也限制在10 W/(mK)以下。调节各向异性纳米填料的垂直取向是制备高导热复合材料的有效途径。二维纳米片，如氧化石墨烯和多层石墨烯，已被用作形成结构各向异性骨架的搭建。

实现高导热性的TIMs要求晶粒取向高、尺寸大的晶粒，骨架密度高。这种完美的导热通道保证了复合材料的高导热性。因此，精确控制垂直薄片对齐、薄片含量和较低的界面声子散射是生产先进TIMs的三个不可或缺的因素。

二维纳米片通常具有小于 50微米的横向尺寸和原子层厚度。当垂直定向时，小尺寸薄片呈现不连续的晶体域和大量聚合物/薄片界面。此外，由于空间斥力和静电斥力强，纳米片的含量一般在 30 mg/g 以下。含量低导致骨架热流有限，这就排除了高导热复合材料的可能性。

与胶体纳米片相比，巨型纳米片通常具有数百微米的横向尺寸和微米的厚度。选择巨型纳米片作为构建高导热复合材料是很有前途的，这为声子的快速传递提供了更大的通路，并减少了聚合物/薄片界面散射。然而，扩大巨型薄片的垂直阵列分布一直是面临的长期挑战。

成果掠影

浙江大学高超、刘英军、刘森坪团队通过微线剪切技术，利用微丝沿垂直方向移动，构筑垂直方向巨大的剪切力，获得了高度垂直有序取向的巨型氧化石墨片(横向尺寸超过100µm)。相比于传统的外界刺激方法，微丝垂直运动引起的微尺度剪切场克服了巨大的能垒，使巨型薄片垂直重新定向。所得到的有序取向巨型氧化石墨液晶表现出极其延迟的弛豫现象，并且具有高达0.82的垂直取向度。将该垂直阵列浸渍有机硅基体后，复合材料在仅 14.8 vol%的填充下，显示出创记录的 94 W/(mK)的垂直导热系数。在热管理应用的实测中，制冷效率高于商业TIMs约 93%。该项工作提供了一种新的方法来精确操纵巨大粒子的方向，并促进具有先进功能的垂直阵列的大规模制造。

图文导读

图1. 微丝剪切垂直取向巨型氧化石墨的制备。

图2. 垂直取向巨型氧化石墨的液晶取向结构与松弛示意图。

图3. 垂直取向的巨片石墨/聚合物复合材料以及热导率示意图。

图5. GA-P复合材料优异的冷却性能。

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