隨著小型化和集成化的快速發展，熱管理已成為微電子制造工藝中的關鍵技術。電子設備難以快速散熱，導致芯片溫度急劇上升，從而導致器件低效率。熱界面材料是解決電子芯片散熱問題的關鍵。與此同時，芯片等小型器件往往處于動態的工作狀態中，迫切需要具有一定機械性能和自修復特性的新型熱界面材料。
近日，上海先進熱功能材料工程技術研究中心謝華清教授、于偉教授團隊通過將石墨烯摻入基于聚丙烯酸酯的雙交聯水凝膠中，獲得了一種新型的熱界面材料。在水凝膠中引入石墨烯可以提高熱界面材料的導熱系數，增強水凝膠的拉伸性能。復合導熱水凝膠具有自修復特性，精準滿足熱界面材料的動態工作環境。結果表明：當壓力在 35°C 下從 10 Psi 增加到 50 Psi 時，接觸熱阻降低到0.069 K?cm2/W。 在一定壓力下，溫度對接觸熱阻的影響很小。總體而言，接觸熱阻仍然很低 (0.5–0.9 K?cm2/W)。 通過穩態熱分析模擬和紅外熱成像，復合水凝膠在高導熱率和低接觸熱阻的綜合作用下表現出優異的熱管理性能。
圖1 石墨烯水凝膠的機理圖
圖2 石墨烯水凝膠的制備圖及表征測試
圖3 石墨烯水凝膠自修復性能測試
圖4 （a-b）石墨烯水凝膠在溫度和壓力梯度下的接觸熱阻測試 (c)石墨烯水凝膠的性能分布 （d）不同類型產品的接觸熱阻值
圖4(a)顯示了在30℃時，壓力對石墨烯導熱水凝膠TCR的影響。在這個溫度下，當水凝膠開始接觸，TCR為 4-12 K?cm2/W(10 Psi)。當壓力逐漸增大，復合材料水凝膠的的接觸面積增加，TCR開始逐漸下降。在壓力為 50 Psi 的下，復合材料的TCR 降至最小值約0.06–0.2 K?cm2/W。溫度是影響 TCR 的重要參數。圖4(b)顯示了在 30 Psi 壓力下溫度對 TCR 的影響。當壓力為 30 Psi，導熱水凝膠的 TCR 為基本上處于低水平。圖4（c）比較了純水凝膠和復雜石墨烯水凝膠的性能，可以看出石墨烯的負載在一定程度上提高了復合材料的熱導率和機械性能。于此同時，我們比較了相關文獻和工業化產品，我們設計的石墨烯水凝膠具有優異的低熱阻性能，同時也表現出良好的熱管理性能。
以上成果發表在International Communications in Heat and Mass Transfer，上海第二工業大學碩士研究生楊家偉為第一作者，上海第二工業大學能源與材料學院謝華清教授、于偉教授為共同通訊作者。Title：Graphene double cross-linked thermally conductive hydrogel with low thermal contact resistance, flexibility and self-healing performance，International Communications in Heat and Mass Transfer 127 (2021) 105537，DOI：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105537