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  2020年3月，Engineered Science旗下雜志《ES Materials & Manufacturing》在線發表了西北工業大學材料學院周永存副教授的最新綜述論文 “Recent Advances in Thermal Interface Materials” (文章號：ES Mater. Manuf., 2020, 7, 4-24)，詳細地闡述了熱界面材料（TIM）的最新研究進展，討論了基于流變學的建模和設計以及導熱填料對復合材料性能的影響，為熱界面材料的設計及應用提供了理論基礎和實踐指導。該論文被選為ESMM期刊第7卷的封面文章 (DOI: 10.30919/esmm5f717).

  近年來，小型化和集成化已經成為電子設備的發展趨勢。隨著電子設備功率的不斷增加，產生的熱量也急劇增加。熱界面材料 (TIM) （圖1）可以有效提升兩個固體界面之間的熱傳遞，并且可以在電子設備的性能、使用壽命和穩定性方面起著重要作用，譬如過高的溫度會危及半導體的結點，損傷電路的連接界面，增加導體的阻值和造成機械應力損傷。因此確保發熱電子元器件所產生的熱量能夠及時的排出，己經成為微電子產品系統組裝的一個重要方面，而對于集成程度和組裝密度都較高的便攜式電子產品，散熱甚至成為了整個產品的技術瓶頸問題。微電子領域的一門新興學科——熱管理，專門研究各種電子設備的安全散熱方式、散熱設備及所使用的材料。由于熱界面材料 (TIM)要有更好的熱管理性能，所以熱界面材料TIM材料擁有廣泛的應用前景，如何達到熱界面材料 (TIM) 的創新和優化也成為當前的研究熱點。

圖1：熱界面材料 (TIM)實體

  由于界面粗糙度的存在，當兩個固體界面相接觸時，只有相當少的幾個點在界面之間能形成實際接觸。由于空氣的熱導率相較于材料本身要低四個數量級，所以絕大部分的熱量傳遞的只有依托于實際接觸的有限個點。而一般由柔軟材料制成的熱界面材料 (TIM) 可以很大程度上解決這個問題（圖2），它可以填充兩個表面之間的空隙，從而增加有效接觸面積。配合熱界面材料 (TIM) 自身的高導熱率，可以很好的解決材料接觸界面的熱傳導不順暢的問題。

圖2：( a)熱界面材料 (TIM)填充界面空隙，增加有效接觸面積 ( b)熱界面材料 (TIM)實際導熱示意圖

  在實際材料的制備中，一個重要的影響因素就是導電填料的占比分數，因為雖然高填充率可以顯著提升材料的導熱能力，但是成本的提高和機械性能的降低就將成為阻礙TIM材料應用的缺陷。在一定濃度條件下，導電顆粒將會與其相鄰的顆粒發生接觸，從而形成導電顆粒網絡，這種導電網絡稱為滲濾，填料可以有效導電的臨界濃度稱為滲濾閾值。研究發現，添加超過滲濾閾值的導電填料的熱界面材料(TIM)（圖3（b））相比于少量添加的熱界面材料（TIM）（圖3（a）），極大地提高了熱界面材料（TIM）的導熱系數。同時，添加高橫縱比填料（圖3（c））或不同尺寸填料（圖3（d））的熱界面材料（TIM）可以幫助降低到達滲濾閾值時的填充比，從而更好地保留基體材料的機械性能同時降低生產成本。

圖3：( a) TIM  ( b) TIM滲濾 ( c)高橫縱比填料TIM滲濾 ( d)不同尺寸填料TIM滲濾

  隨著TIM研究的發展，碳納米管導熱界面材料的應用也有很廣泛的前景。雖然碳納米管（CNT）作為熱界面材料（TIM）中的填料有一定的局限性，但垂直排列的跨越基板間隙的碳納米管（CNT）陣列排列可以很大程度上消除材料的內部界面，這是一種在熱界面材料（TIM）中應用CNT的實用方法。可以通過在基體上直接生長的辦法制備包含CNT的TIM復合材料，可以結合不同工藝方法和性能要求選擇不同的制備方式（圖4）。

圖4：碳納米管陣列界面結構示意圖( a)單界面 ( b)雙界面 ( c) CNT涂層箔片接口 ( d) CNT以金屬鍵或化學鍵與基板結合

  同時許多研究表明，一些填充了高導熱、低損耗陶瓷材料的聚合物非常適合用于電子元器件封裝方向。該論文對目前存在的問題進行了討論，對熱界面材料（TIM）的未來研究方向進行了展望。

  通過回顧世界范圍內有關熱界面材料（TIM）的導熱性和表面改性的研究現狀分析發現，未來的建模工作將集中在界面殼層上，以操縱和調節納米填料顆粒與聚合物基質之間的相互作用。同時新材料的研發應注重填料含量的降低以保證熱界面材料（TIM）材料的機械性能不會降低明顯。伴隨電子設備集成化和小型化的發展趨勢，研究者對熱界面材料（TIM）的探索是無止境的，目前的研究方法（通過對填料材料進行表面改性來提高復合材料的熱導率）在未來一段時間內仍是主流研究方向。

  未來的理想熱界面材料將具有高導熱、高柔韌、高絕緣、應用簡便、適用性廣的特點，能保證在較低安裝壓力條件下熱界面此材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙，保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很小。對于高性能的追求仍將是對熱界面材料 (TIM) 未來的主要挑戰。

  西北工業大學周永存副教授為該論文的第一作者和通訊作者。合作者還有中科院深圳先進納米研究院的朱朋莉研究員，中南大學的吳飛翔教授，西工大劉峰教授，以及路易斯安那州澤維爾大學的Zhe Wang副教授、田納西大學的Zhanhu Guo副教授為共同通訊作者。該論文得到國家自然科學基金以及太倉市創新人才計劃等項目資助。

  論文鏈接：http://www.espublisher.com/espub/vip_doc/16700854.html