石墨烯基界面导热材料的研究现状

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1、石墨烯基界面导热材料的研究现状尚玉，张东（同济大学材料科学与工程学院先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092）摘要：随着电子器件等对有效散热的需求日益迫切，石墨烯基界面导热材料由于其优异的热性能成为近年来研究的热点。本文综述了石墨烯基界面导热材料的组成成分，介绍了其热导率的预测模型和测定方法。并且了结合热导率模型，分析了填料本质导热性，填料添加量及其在基体中的分布，界面耦合强度等因素对其导热性的影响。最后，对其今后的研究和发展进行了分析和展望。关键词：石墨烯；界面导热；热导率；影响因素1引言随着电子技术迅速的发展，电子元器

2、件的集成程度和功率密度不断提高，电子器件的耗散功率密度和发热量越来越大，因此散热问题变得越来越重要，对热管理技术的要求也更加严格。界面导热材料在热管理中起到十分关键的作用。[1]界面导热材料是一种普遍用于集成电路（IC）封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微观空隙及表面凹凸不平的孔洞，增大界面接触，提高材料的散热性[2?3](如图1)。其原理是由于在接触面间存在空气间隙，空气导热系数只有0.025W/(m·K)，是热的不良导体，将导致接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导。界面导热材料热导率较高，且可填充于接触

3、面之间，驱除接触界面孔隙内的空气，在整个接触界面上形成连续的导热通道，提高散热效率[4]。传统的界面导热材料主要是以导热颗粒填充聚合物或者油脂，组成导热脂、导热胶黏剂、导热橡胶及相变材料等几类界面材料。其填料填充体积要求很大（~70%），才能达到室温下导热系数为1~5W/(m·K)。因而对于更好的界面导基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA030303)；上海市基础研究重点项目(12JC1408600)通讯作者：张东教授，博士生导师，Tel：021-65982144Email：Zhangdng@tongji

4、.edu.cn作者简介：尚玉（1990-）。女，河北保定人，在读硕士，师承张东教授从事石墨烯制备与应用方面的研究。E-mail：shangyu1990sy@163.com[5]热材料和更高热导率填料的需求日益迫切。碳材料因其具有较高热导率，引起了研究的关注。如石墨(2000W/(m·K))，金刚石(2300W/(m·K))，炭黑，碳纳米管(CNT)(3000~3500W/(m·K))，石墨纳米片层等[6-7]。碳纳米管有优异的导热性能，热导率为3000~3500W/(m·K)[8-9]，可用作导热填料。但是，碳纳米管在使用中面临了许

5、多问题。虽然有研究表明，碳纳米管在填料体积f?7%时，热导率提高50~250%[10-12]。但是碳纳米管并不能与基体良好耦合，其边界热阻达10?7m2K/W[14]，导致热导率并不随添加量增大而明显提高[13]。并且碳纳米管在工业应用中的成本仍旧很高，很难达到碳纳米管的定向排列从而有效提高材料的热导率。碳纳米管的这些不足也促使寻找更好的具有高热导率的填料。[15-16]石墨烯是碳原子以sp2键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构，其导热性能优于碳纳米管。石墨烯有极高的热导率，单层石墨烯的热导率可达5300W/(m·K)[17]，并且有良

6、好的热稳定性。而且除了有高的热导率值，石墨烯的二维几何形状，及与基体材料的强耦合，低成本，都使得石墨烯成为界面材料的理想填料。研究表明，石墨烯基界面导热材料的热导率相对传统界面导热材料可明显提高。将石墨烯基界面导热材料应用于热管理可满足飞速发展的电子工业中高密度、高集成度组装发展的要求。本文结合近年来的相关文献，对石墨烯基界面导热材料的目前的研究现状进行综述。并就当前研究中的存在的问题及今后研究中的关注点进行了探讨和展望。图1(a)界面真实接触面积小于表观面积的说明图。也显示了理想的界面导热材料，完全填补空隙而没有厚度(b)真实的界

7、面导热材料Fig.1(a)Schematicshowingthatrealareaofcontactislessthanapparentareaofcontact.Thisfigurealsoshowsanidealthermalinterfacematerial(TIM),whichcompletelyfillsthegapwithzerothickness.(b)Schematicrepresentingarealthermalinterfacematerial(TIM).2石墨烯基界面导热材料的组成界面导热材料是由基体材料和导

8、热填料组成的复合材料。2.1基体材料界面导热材料的基体主要有硅油、矿物油、硅橡胶、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯基界面导热材料的研究大多数专注于石墨烯与环氧树脂基体的复合。环氧树脂常用作导热胶黏剂的基体，其具有优良的电