中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，清華大學(xué)丘陵副教授、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士和華南理工大學(xué)熊志遠(yuǎn)教授提出了界面聲子橋策略，旨在降低二維材料TIM的接觸熱阻。相關(guān)工作以“Low thermal contact resistance boron nitride nanosheets composites enabled by interfacial arc-like phonon bridge”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
六方氮化硼納米片（BNNS）因其高熱導(dǎo)率及出色的介電性能，被認(rèn)為是下一代高性能熱管理材料。然而，當(dāng)其用作熱界面材料（TIM），高接觸熱阻嚴(yán)重限制其應(yīng)用。目前具有高熱導(dǎo)率的垂直序化的二維材料被廣泛報(bào)道，但二維材料在復(fù)雜界面的熱傳導(dǎo)機(jī)制仍不明晰，限制其性能進(jìn)一步提升。此外，高端TIM市場(chǎng)目前由國(guó)外企業(yè)壟斷。因此，二維材料在復(fù)雜界面處的熱傳輸機(jī)制理解、高性能二維材料TIM的設(shè)計(jì)及規(guī)模化制備，成為亟待解決的卡脖子問(wèn)題。
在此背景下，丘陵研究團(tuán)隊(duì)提出了界面聲子橋策略。該研究團(tuán)隊(duì)利用BNNS與粘塑性聚合物混合，通過(guò)易量產(chǎn)的堆疊-切割工藝，制備具有弧形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片。SEM結(jié)果顯示，BNNS-TIM體相中的BNNS呈現(xiàn)高度一致的垂直排列，而在切割表面附近，形成特殊的弧形結(jié)構(gòu)。
BNNS- TIM的制備和微觀結(jié)構(gòu)（圖源：Nature Communications）
熱阻是評(píng)價(jià)TIM在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下散熱性能的重要指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)70 wt.%含量的BNNS-TIM具有超低熱阻（0.059 in²W K-¹），性能遠(yuǎn)高于目前報(bào)道的數(shù)值和商用高端導(dǎo)熱產(chǎn)品。此外，BNNS-TIM還具有高介電強(qiáng)度，適用于高電場(chǎng)環(huán)境下電子設(shè)備的散熱。文章用雷達(dá)圖展示了BNNS-TIM在熱、力和電學(xué)方面的綜合優(yōu)勢(shì)，突顯了其廣闊的應(yīng)用前景。
BNNS TIMs的熱性能（圖源：Nature Communications）
為了進(jìn)一步理解70wt.%填量下BNNS-TIM出現(xiàn)的熱阻最優(yōu)值，文章將熱阻進(jìn)一步拆分成材料熱阻與接觸熱阻。發(fā)現(xiàn)隨著BNNS含量增加，總熱阻逐漸減小，但接觸熱阻逐漸增加，使得熱傳導(dǎo)瓶頸由材料主導(dǎo)轉(zhuǎn)向接觸主導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，具有類似硬度的70 wt.% 和80 wt.%填量的BNNS-TIM在熱阻值上顯示巨大差異，這是由于70 wt.%填量BNNS-TIM的獨(dú)特弧形結(jié)構(gòu)能有效地在界面處傳輸聲子。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，BNNS的接觸角度對(duì)界面熱傳輸有顯著影響。
界面聲子橋策略的有效性（圖源：Nature Communications）
該研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合欣旺達(dá)、vivo等企業(yè)，展示了BNNS-TIM的巨大工業(yè)應(yīng)用潛力，通過(guò)堆疊-切割工藝可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效規(guī)模化生產(chǎn)。與商業(yè)產(chǎn)品相比，BNNS-TIM在靜壓下能夠?qū)崿F(xiàn)更好的降溫效果，使其能應(yīng)用于快充電池散熱等高壓散熱情景。
參考來(lái)源：Nature Communications、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、高分子科學(xué)前沿
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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