石墨烯作為一種目前世界上研究最廣范的二維材料之一，在面內方向具有極高的熱導率（3,500 – 5,300W/mK），那么，有無可能利用石墨烯優異的導熱性能來對電子元器件進行有效的熱管理呢？

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能碳素材料團隊與合作者制備了一種基于石墨烯紙的高性能熱界面材料。近年來，隨著電子器件朝著輕、薄、短、小方向發展，但其各種組件（如CPU、GPU等）的功率卻越來越大，其工作溫度也相對之前大幅度提高，但是高溫會對電子組件的穩定性、可靠性和壽命產生有害影響。過高的溫度會危及電路連接點，增加阻值，并造成熱應力損傷，熱失效導致的電子器件故障占總故障的55%。統計顯示電子元件工作溫度每提升10 – 15 °C，使用壽命將降低一半。因此，確保電子元器件所產生的熱量能夠及時移除，己經成為電子產品系統設計與組裝的一個重要考慮因素，特別對于集成程度和組裝密度都較高的便攜式電子產品（如筆記本電腦和手機等），散熱甚至成為了整個產品的主要技術瓶頸。

在熱源與熱沉之間由于存在微米尺度的粗糙度，其中充滿了空氣（0.03 W/mK），即使施加了很大的封裝壓力，也無法實現熱源與熱沉之間的無縫接觸，在一般封裝條件下，熱源與熱沉的實際接觸面積只有接合面積的10%，嚴重阻礙了熱傳導，使界面熱阻抗增加，最終造成散熱效能低下。目前主要是用一種柔軟易形變的材料填充于熱源與熱沉界面間，充當熱傳遞的橋梁，稱之為熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM），見圖1。導熱墊是一種具有一定導熱性能的彈性的固態材料，具有選材多樣性，適用范圍廣，易于清理，現已廣泛應用于電子產品的散熱管理應用。目前商用導熱墊主要是使用高導熱陶瓷填料（如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼等）與硅膠基底混合而成，其導熱系數普遍小于7 W/mK，越來越難以適應日益增長的散熱需求。

圖1. （a）熱界面材料的運作原理與（b）應用實例

中科院寧波材料所團隊研發的石墨烯/碳化硅納米線復合熱界面材料（GHP）很好的解決了熱界面材料需要兼顧面外高熱導率與良好壓縮性能的瓶頸問題，制備流程見圖2a。目前，具有面內高熱導率的石墨烯紙（勻熱膜），已被應用于各種電子設備的熱管理用途。然而，由于石墨烯紙的面外導熱系數較低（< 6 W/mK），限制其作為熱界面材料的使用。

在該研究中，通過在石墨烯層間預先嵌入氧化硅納米粒子，在進行碳熱還原反應，使石墨烯片層間原位生長出導熱性能較好的碳化硅納米線，其斷面結構如圖2b所示。由于石墨烯/碳化硅納米線的界面為碳–硅共價鍵，在75 psi的封裝壓力下（如圖2c）所示，GHP的面外熱導率（17.6 W/mK）相對于石墨烯紙提高了三倍之多，也高于常用的商用熱界面材料，包括導熱硅膠墊、導熱硅脂以及導熱凝膠等（圖2d）。

圖2. （a）GHP的制備流程；（b）石墨烯紙和GHP的橫截面SEM圖；（c）75 psi下石墨烯紙和GHP的熱導率圖；（d）GHP與既有熱界面材料的面外熱導率對比圖。

在實際的熱界面性能評測實驗中，以GHP為熱界面材料的系統溫降達到了18.3 °C，是商用熱界面材料溫降（8.9 °C）的兩倍多，如圖3a–c所示。通過仿真軟件對散熱過程的模擬（圖3d–e），結果顯示：GHP不僅有著較高的面外熱導率，其接觸熱阻也低于主流商用導熱墊。另外，相對于硅膠基熱界面材料，GHP是由無機的石墨烯與碳化硅組成，因此擁有更好的熱穩定性及工作溫度適應性。

圖3. （a）TIM材料性能評估系統原理圖 3；（b）30W功率下加熱器溫度變化圖；（c）不同功率下加熱200s后加熱器溫度圖；（d）（e）基于模擬計算的熱界面材料有效熱導率與散熱能力比較。

相關的工作已經發表在ACS Nano 上，文章第一作者是中國科學院大學博士研究生代文。研究工作獲得了國家重點研發計劃（2017YFB0406000）、中科院重大裝備研制項目（YZ201640）、寧波市重大專項（2016S1002和2016B10038）以及寧波市國際合作項目（2017D10016）等資助。