随着设备变得越来越小，功能越来越强大，过热和烧坏的风险也大大增加。尽管冷却解决方案取得了进步，但由于材料的固有粗糙度，电子芯片与其冷却系统之间的界面仍然是热传输的障碍。
卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)机械工程教授 Sheng Shen 团队和麻省理工学院的研究人员展示了一种 3D 石墨烯-纳米线“三明治”热界面，可以实现超低热阻~ 0.24 mm2·K/W，比焊料的热阻小一个数量级，比热润滑脂、凝胶和环氧树脂的热阻低几个数量级。
此外，新型3D石墨烯-纳米线“三明治”热界面还具有像聚合物和泡沫一样的约1MPa的低弹性和剪切模量。它具有出色的长期可靠性，在−55°C至125°C的宽温度范围内可循环1000次。这种纳米结构的热界面材料可以使各种电子系统和设备受益匪浅，因为它们可以在较低的温度或相同的温度下运行，但具有更高的性能和更高的功率密度。
“乍一看，我们的解决方案看起来像任何普通的铜薄膜，但在显微镜下，我们材料的新颖性变得清晰起来，”机械工程系的博士生 Lin Jin 解释说。
扫描电子显微镜下的材料截面
该材料由两层铜薄膜组成，它们之间夹有石墨烯涂层铜纳米线阵列，使用非常方便。
“其他纳米线需要在设计散热的地方原位生长，因此它们的应用门槛和成本都很高，”Shen实验室的博士后研究员Rui Cheng说。“我们的薄膜不依赖于任何基材。它是一种独立的薄膜，可以切割成任何尺寸或形状，以填补各种电气元件之间的间隙。”
“三明治”由Shen的“超级焊料”制成，这是一种热界面材料（TIM），可以与传统焊料类似地使用，但热导率是当前最先进的 TIMs 的两倍。
“三明治”构建于Shen的“超级焊料”，这是一种热界面材料(TIM)，可以与传统焊料类似地使用，但具有当前最先进的TIMs的两倍热导率。
通过在石墨烯中涂覆“超级焊料”，Shen的团队增强了其热传输能力并防止了氧化风险，从而确保了更长的使用寿命。与目前市场上的导热膏/粘合剂相比，“三明治”在考虑相同厚度时可以将热阻降低 90% 以上。
由于其超高的机械灵活性，“三明治”可以在柔性电子和微电子中实现广泛的应用，包括用于照明和显示的柔性LED和激光器，用于通信的可穿戴传感器，用于监测健康和成像的植入式电子设备以及软机器人。
展望未来，Shen的团队将探索在工业水平上扩大材料规模并降低成本的方法，同时继续寻求改进。
“我们对这种材料的潜力感到非常兴奋，” Shen 分享道。“我们相信，各种各样的电子系统都可以从中受益，因为它们可以在较低的温度下以更高的性能运行。
这项研究首先发表在 ACS Nano 上，是与卡内基梅隆大学生物医学工程和材料科学与工程教授Tzahi Cohen-Karni和电气和计算机工程教授Xu Zhang合作的成果。
文献信息：
Jing, Lin; Cheng, Rui; Garg, Raghav; Gong, Wei; Lee, Inkyu; Schmit, Aaron; et al. (1753): 3D Graphene-Nanowire “Sandwich” Thermal Interface with Ultralow Resistance and Stiffness. ACS Nano.
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10525
资料来源：www.cmu.edu
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