6 月 23 日消息，近日，中國科學院上海微系統(tǒng)所聯(lián)合寧波大學研究團隊在《Advanced Functional Materials》發(fā)表研究，提出以芳綸膜為前驅體通過高溫石墨化工藝制備低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導熱石墨膜，在膜厚度達到 40 微米的情況下實現面內熱導率 Kin 達到 1754W/m·K，面外熱導率 Kout 突破 14.2W/m·K。與傳統(tǒng)導熱膜相比，雙向高導熱石墨膜在面內和面外熱導率及缺陷控制上均表現出顯著優(yōu)勢。
圖 1. 雙向高導熱石墨膜的導熱性能及其在電子熱管理中的應用
據了解，傳統(tǒng)石墨膜制備以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，面臨氣體逸散導致的結構缺陷難題。該研究提出選用芳綸膜作為前驅體，利用其低氧含量（~11%）和氮摻雜特性（氮含量~9%），在 3000 ℃高溫處理時實現缺陷自修復、晶粒定向生長及氣體逸散優(yōu)化。芳綸中氮原子促進晶格缺陷修復，退火后雙向高導熱石墨膜缺陷指標 ID/IG 低至 0.008；芳綸分子中有序苯環(huán)為石墨晶格提供生長模板，使面內晶粒尺寸（La）達 2179 nm、面外有序堆疊尺寸（Lc）達 53 nm。雙向高導熱石墨膜通過結構調控展現出優(yōu)異的雙向導熱性能：面內熱導率 1754 W/m·K，較同條件下氧化石墨烯衍生膜提升 17%；面外熱導率 14.2 W/m·K，提升 118%，突破碳基薄膜面外熱導率瓶頸；亂層堆垛比例僅 1.6%，接近理想石墨 AB 堆疊結構。與傳統(tǒng)導熱膜相比，雙向高導熱石墨膜在面內和面外熱導率及缺陷控制上均表現出顯著優(yōu)勢。在智能手機散熱模擬中，搭載雙向高導熱石墨膜的芯片表面最高溫度從 52 ℃降至 45 ℃；在 2000 W / cm2 熱流密度的高功率芯片散熱中，AGFs 使芯片表面溫差從 50 ℃降至 9 ℃，實現快速溫度均勻化。
圖 2. 雙向高導熱石墨膜制備機制示意圖
該研究揭示了芳綸前驅體在石墨膜制備中的獨特優(yōu)勢，證明了氮摻雜與低氧含量前驅體可提升石墨膜結晶質量和雙向導熱特性，其雙向導熱性能突破可為 5G 芯片、功率半導體等高功率器件熱管理提供關鍵材料和技術支撐。
