四川大學：雙層結構的高導熱石墨烯基熱介面材料，用於CPU冷卻

2021-05-31 10:01:40

成果簡介

電晶體朝著小型化和整合化的創新加劇了中央處理器（CPU）的熱量積聚。熱介面材料（TIM）對於消除產生的熱量並確保裝置可靠性至關重要。本文，四川大學高分子科學與工程學院徐家壯，教授（通訊作者）團隊在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為「Highly Thermally Conductive Graphene-Based Thermal Interface Materials with a Bilayer Structure for Central Processing Unit Cooling」的論文，研究提出了麥芽糖輔助的機械化學剝離法以製備麥芽糖-G-石墨烯作為TIM的結構基序。然後，通過兩步真空過濾製備具有雙層結構的麥芽糖-G-石墨烯/明膠複合膜，以構建有效的導熱路徑，該路徑由定向排列且緊密堆積的麥芽糖-G-石墨烯組成。

雙層複合膜表現出面內熱導率（30.8 W m –1 K –1）和40％（重量）麥芽糖-g-石墨烯加入時的強各向異性（約8325％）。更有趣的是，雙層複合膜對CPU的冷卻效果明顯好於商用導熱墊（TIM）。收集到了在抵抗瞬時和長時間熱衝擊方面出色的導熱穩定性以及疲勞穩定性。我們的工作為設計和製造用於CPU冷卻以克服惡劣應用場景的高效能TIM提供了參考。

圖文導讀

圖1.（a）麥芽糖輔助機械化學方法剝落石墨的示意圖。（b）TEM影象，（c）AFM影象，以及（d）麥芽糖-g-石墨烯的典型高度分佈統計資料。（e）通過動態光散射測量的麥芽糖-g-石墨烯的長度分佈。（f）原始石墨和麥芽糖-g-石墨烯的拉曼光譜。（g）原始石墨和麥芽糖-g-石墨烯的2D帶的拉曼光譜。

圖2.（a）原始石墨和麥芽糖-g-石墨烯的X射線光電子能譜。（b）原始石墨和（c）麥芽糖-g-石墨烯的XPS C 1s核心能級譜。（d）麥芽糖和麥芽糖-g-石墨烯的FTIR光譜。（e）麥芽糖，原始石墨和麥芽糖-g-石墨烯的TGA曲線。（f）固定儲存60天后的麥芽糖-g-石墨烯水溶液（左）和停止超聲處理後的石墨水溶液（右）的光學影象。

圖3.（a）UG /明膠複合膜和（c）DG /明膠複合膜的製備過程示意圖。（b）40 wt％UG /明膠膜和（d）40 wt％DG /明膠膜的橫截面SEM影象和相應地放大影象。

圖4.（a）具有不同麥芽糖-g-石墨烯含量的UG /明膠複合膜和DG /明膠複合膜的面內TC。（b）DG /明膠複合膜的面內TC作為導電層中麥芽糖-g-石墨烯的函數。（c）將DG /明膠複合膜的面內TC與以前的報道進行比較。（d）比較每單位填料的TC含量，以驗證DG /明膠複合膜的優越性。（e）40wt％UG /明膠膜和40wt％DG /明膠膜的紅外熱像和（f）表面溫度變化。

圖5.（a）CPU-GPU整合風扇和CPU上的散熱墊的示意圖。

（b）CPU核心溫度隨運行時間的變化。

（c）以10、20、30、40、50 K min –1的加熱速率加熱到100°C的40 wt％DG /明膠薄膜的面內TC 。

（d）熱衝擊後40重量％的DG /明膠膜的面內TC變化在80至-40℃之間。

（e）40重量％得DG /明膠膜在升高的溫度和不同的恆溫時間下的導熱效能。

（f）每1000個彎曲週期之前和之後40％重量百分比的DG /膠凝膜的面內TC。

圖6.具有不同填料含量的UG /明膠膜和DG /明膠膜的表面電阻率，以及40重量％的UG /明膠膜和40重量％的DG /明膠膜作為導體在閉合電路中的照片。

小結

我們通過構造由導電層和基質層組成的雙層結構，製造了用於CPU冷卻的高導熱性TIM。在實際操作條件下，DG /明膠膜的冷卻效率要比市售的矽膠墊高。DG /明膠複合膜具有出色的導熱穩定性，可以抵抗惡劣的環境。我們的工作為製造用於冷卻大功率電子裝置的高效能TIM開闢了一條重要途徑。

四川大學：雙層結構的高導熱石墨烯基熱介面材料，用於CPU冷卻

熱門文章