第三代半導體材料先進電子器件的功能性、集成度和功率密度的持續提高，勢必會造成器件運行產生廢熱的高度集中。電子封裝材料是電子器件熱管理的關鍵，目前使用的環氧樹脂電子封裝材料的導熱性能已不能滿足先進半導體材料的發展需求。石墨烯自發現以來就憑借諸多優異的物理性能而備受關注，石墨烯所具有的超高導熱系數（高達 5300W/mK）和大的比表面積使其易于搭建有效的導熱通路，是增強聚合物基體材料導熱性能的理想填料。制備石墨烯三維結構是提升復合材料導熱性能行之有效的方法。目前常用的方法包括化學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熱性能仍存在挑戰。

圖1 (a) 環氧復合材料導熱系數與石墨烯含量的關系；(b) 環氧復合材料較純環氧樹脂和傳統共混法制備的復合材料的導熱增

強比；(c) 論文封面

基于上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業部功能碳素材料團隊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構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，環氧復合材料的導熱系數達到了 8.04W/mK，較純環氧樹脂提高了 44 倍，環氧復合材料同時保持了良好的力學性能。

相關工作已發表在納米材料領域期刊Nanoscale（2019,11,?17600-17606）并入選封面文章。

圖2 仿“豌豆莢”二元石墨烯-氧化鋁結構增強環

氧樹脂導熱性能

除此之外，研究還發現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變為縱向方向，得到具有類似“豌豆莢”的結構。這類仿“豌豆莢”結構的二元石墨烯 - 氧化鋁填料可有效增強聚合物材料的導熱性能，該方法制備的環氧復合材料縱向和橫向的導熱系數分別可達到 13.3W/mK 和 33.4W/mK（如圖 2 所示），相關工作將發表在化工領域期刊 Chem.?Eng.?J.（2020,?381,122690），開發的高導熱環氧復合材料有望代替傳統的聚合物材料解決目前高度集成的電子設備的散熱問題。

以上工作獲得國家自然科學基金（51573201）、浙江省公益技術應用研究計劃（2016C31026）和 3315 創新團隊等的資助。