新方法,60s制备石墨阵列气凝胶

近年来人工智能(AI)的快速发展推动了电子设备计算和功耗需求的指数级增长,对传统热管理解决方案提出了重大挑战,随着算法复杂度和半导体芯片功率密度的不断升级,器件工作期间的局部过热已成为一个关键问题。这种温度激增不仅会降低性能,而且会缩短使用寿命,甚至灾难性的失败。因此,高效的热管理系统已成为现代电子设备设计中不可或缺的组件,特别是在高性能计算、数据中心、5G通信、自动驾驶和物联网(IoT)中。构建高效的垂直导热网络以提高贯通面导热系数是一个迫切需要解决的关键问题。

近日,吉林大学邹陆一、吴同舜团队设计一种新颖的快速“压缩引导排列&受控定向膨胀”策略,在短短60s内制备高度取向、互连的石墨阵列气凝胶(GAA)框架,标志着高效导热网络结构的重大进步。通过采用新型的“压缩导向对准&可控定向膨胀”组装技术,可扩展方法创建了垂直石墨阵列气凝胶框架,通过流线型加工和显著的能耗降低克服了传统方法的局限性。当与硅橡胶(SR)结合时,所得的GAA/SR复合材料表现出优异的贯通面导热性(50.621 W/m.K),明显的机械各向异性和低密度(0.983 g/cm³)。该材料的上级交叉平面热性能源于其高度取向的石墨层结构,使其特别适合于高功率微电子应用中的热管理。研究成果以“Carbon-based 3D array-reinforced thermal interface materials with highly oriented structure and superior thermal conductivity”为题发表《Carbon》上。

图1.(a)ADC@EG和(B)GAA/SR的合成工艺示意图。
图2.给出了(a)ADC@EG和(B)GAA尺寸的比较;(c)ADC@EG、GAA和GAA/SR的光学图像;(d)GAA/SR弯曲的图像;(e)ADC@EG和(f)GAA的显微照片;(g)放置在花上的GAA/SR。
图3.(a)纯膨胀石墨压缩块的表面结构;(B)GAA的平面结构;(c)GAA的垂直平面结构;(d)GAA 4、(e)GAA 3和(f)GAA 1的平面结构。
图4.(a)平行于平面的GAA结构;(B)进一步放大的GAA二级结构;(c)GAA二级结构之间的桥脊结构;(d)垂直于平面的GAA结构;(e-f)进一步放大的二级结构的三级互锁层状结构;(g)CEG和GAA的拉曼光谱;(h)垂直于和平行于压力方向的GAA的XRD;(i)垂直于和平行于压力方向的CEG的XRD。
图5.(a)热导率示意图;(B)参考文献30及其与本文工作的传热机理对比图;(c)本文工作(OW)与近年来报道的热界面热导率材料(R1-9)在高厚度方向上的热导率对比;(d)显示GAA质量分数随压力变化的曲线。(e)显示GAA/SR热导率随质量分数变化的曲线。(f)显示GAA/SR热导率随压力变化的曲线。(g)四个样品的密度变化的线图。(h)抗老化曲线。(i)四个样品的TCE比较
图6.商业TIM(蓝色)和GAA/SR(黑色)复合材料在(a)热源和(B)冷源上的红外热成像比较;在加热(c)和冷却(d)期间不同TIM表面的最大温度与时间的关系曲线;纯SR(e)和GAA/SR(f)的有限元分析图像。
图7.(a)LED热管理测试装置的图示;(B)分别用于LED灯散热的商业TIM和GAA/SR TIM的光学图像;(c)使用商业TIM和GAA/SR作为TIM进行测试期间LED表面工作温度的红外热成像;(d)LED灯表面最高温度随时间变化的曲线图。
图8.(a)以GAA/SR作为TIM固定在散热器上的计算机CPU的设备演示;(B)CPU在不同粉末使用状态下的温度。
图9.(a)GAA框架轴;(B)书重叠互锁结构;(c)杨氏模量比较图。
原文:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120693
信息来源:Carbontech