第三代半導(dǎo)體材料先進(jìn)電子器件的功能性、集成度和功率密度的持續(xù)提高，勢(shì)必會(huì)造成器件運(yùn)行產(chǎn)生廢熱的高度集中。電子封裝材料是電子器件熱管理的關(guān)鍵，目前使用的環(huán)氧樹脂電子封裝材料的導(dǎo)熱性能已不能滿足先進(jìn)半導(dǎo)體材料的發(fā)展需求。石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來就憑借諸多優(yōu)異的物理性能而備受關(guān)注，石墨烯所具有的超高導(dǎo)熱系數(shù)（高達(dá)5300W/mK）和大的比表面積使其易于搭建有效的導(dǎo)熱通路，是增強(qiáng)聚合物基體材料導(dǎo)熱性能的理想填料。制備石墨烯三維結(jié)構(gòu)是提升復(fù)合材料導(dǎo)熱性能行之有效的方法。目前常用的方法包括化學(xué)氣相沉積法和冰模板法等，但這些方法的制備成本較高且難以獲得較高的石墨烯含量，因此大幅提高樹脂基體的導(dǎo)熱性能仍存在挑戰(zhàn)。

基于上述問題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團(tuán)隊(duì)使用低成本的商用聚氨酯泡沫為模板，在其表面包覆石墨烯納米片并采用快速加熱移除聚氨酯模板而得到結(jié)構(gòu)完整的三維石墨烯泡沫。如圖1所示，在石墨烯含量為6.8wt%時(shí)，環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了8.04W/mK，較純環(huán)氧樹脂提高了44倍，環(huán)氧復(fù)合材料同時(shí)保持了良好的力學(xué)性能。相關(guān)工作已發(fā)表在納米材料領(lǐng)域的核心期刊（Nanoscale, 2019,11, 17600-17606）并入選封面文章。

除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)在石墨烯抽濾過程中引入微米尺度的球形氧化鋁顆粒，可以使得石墨烯片取向由水平方向部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向方向，得到具有類似“豌豆莢”的結(jié)構(gòu)。這類仿“豌豆莢”結(jié)構(gòu)的二元石墨烯-氧化鋁填料可有效增強(qiáng)聚合物材料的導(dǎo)熱性能，該方法制備的環(huán)氧復(fù)合材料縱向和橫向的導(dǎo)熱系數(shù)分別可達(dá)到13.3W/mK和33.4W/mK（如圖2所示），相關(guān)工作將發(fā)表在化工領(lǐng)域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2020, 381, 122690），開發(fā)的高導(dǎo)熱環(huán)氧復(fù)合材料有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚合物材料解決目前高度集成的電子設(shè)備的散熱問題。

以上工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（51573201）、浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃（2016C31026）和3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。

圖1 （a） 環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)與石墨烯含量的關(guān)系；（b） 環(huán)氧復(fù)合材料較純環(huán)氧樹脂和傳統(tǒng)共混法制備的復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)比；（c） 論文封面

圖2 仿“豌豆莢”二元石墨烯-氧化鋁結(jié)構(gòu)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性能