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突破熱管理瓶頸！芳綸基雙向高導(dǎo)熱石墨膜研究取得重大進展

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2025-06-24 15:53:45

在電子科技飛速發(fā)展的今天，芯片性能提升與體積縮小并行，功率密度飆升導(dǎo)致熱管理問題成為制約電子器件穩(wěn)定運行的核心瓶頸?，F(xiàn)有碳基高導(dǎo)熱材料雖面內(nèi)熱導(dǎo)率出色，超過1500 W/m?K時，面外熱導(dǎo)率卻普遍低于8 W/m?K，最低僅4 - 5 W/m?K，難以滿足高功率器件三維熱傳導(dǎo)需求。

就在行業(yè)發(fā)展陷入瓶頸之際，近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧、何朋團隊聯(lián)合寧波大學(xué)王剛團隊于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表的一項重磅研究成果，無疑為困境中的熱管理技術(shù)領(lǐng)域帶來了新的曙光。

該團隊提出以芳綸膜為前驅(qū)體，通過高溫石墨化工藝制備出低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導(dǎo)熱石墨膜，在膜厚度 40 微米的情況下，實現(xiàn)面內(nèi)熱導(dǎo)率 Kin 達到 1754 W/m?K，面外熱導(dǎo)率 Kout 突破 14.2 W/m?K，成功突破了碳基薄膜面外熱導(dǎo)率的瓶頸。

傳統(tǒng)工藝遇困境，創(chuàng)新選材尋突破

傳統(tǒng)石墨膜制備通常以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，但在制備過程中，不可避免地面臨氣體逸散導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷難題。這些結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)重影響了石墨膜的熱導(dǎo)率和整體性能，使得其在高功率器件熱管理中的應(yīng)用受限。

針對這一現(xiàn)狀，聯(lián)合研究團隊大膽創(chuàng)新，選用芳綸膜作為前驅(qū)體。芳綸膜具有獨特的化學(xué)特性，其低氧含量（——11%）和氮摻雜特性（氮含量——9%）成為制備高性能石墨膜的關(guān)鍵。在 3000℃的高溫處理過程中，芳綸膜的這些特性發(fā)揮了重要作用，實現(xiàn)了缺陷自修復(fù)、晶粒定向生長及氣體逸散優(yōu)化。

其中，芳綸中的氮原子能夠有效促進晶格缺陷的修復(fù)，經(jīng)過退火處理后，制備出的雙向高導(dǎo)熱石墨膜缺陷指標(biāo) ID/IG 低至 0.008；而芳綸分子中有序排列的苯環(huán)則為石墨晶格的生長提供了理想的模板，促使面內(nèi)晶粒尺寸（La）達到 2179 nm，面外有序堆疊尺寸（Lc）達到 53 nm ，從根本上解決了傳統(tǒng)原料存在的缺陷問題，為制備高性能石墨膜奠定了基礎(chǔ)。

雙向?qū)犸@優(yōu)勢，性能突破創(chuàng)佳績

通過對材料結(jié)構(gòu)的巧妙調(diào)控，以芳綸膜為前驅(qū)體制備的雙向高導(dǎo)熱石墨膜展現(xiàn)出了優(yōu)異的雙向?qū)嵝阅堋Ｔ诿鎯?nèi)熱導(dǎo)率方面，達到 1754 W/m?K，相較于同條件下氧化石墨烯衍生膜提升了 17%。

在面外熱導(dǎo)率上的突破更為顯著，達到 14.2 W/m?K，較傳統(tǒng)碳基薄膜提升了 118%，徹底打破了碳基薄膜面外熱導(dǎo)率的瓶頸。此外，該石墨膜的亂層堆垛比例僅為 1.6%，幾乎接近理想石墨 AB 堆疊結(jié)構(gòu)，這使得其在熱傳導(dǎo)過程中的效率大幅提高，熱阻顯著降低。

與傳統(tǒng)導(dǎo)熱膜相比，芳綸基雙向高導(dǎo)熱石墨膜在面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率以及缺陷控制方面均展現(xiàn)出了壓倒性優(yōu)勢。這種全方位的性能提升，使其在高功率器件熱管理領(lǐng)域具備了更強的競爭力，為解決電子器件的熱管理難題提供了新的有效途徑。

模擬應(yīng)用效果優(yōu)，未來前景無限廣

為了驗證芳綸基雙向高導(dǎo)熱石墨膜的實際應(yīng)用效果，研究團隊進行了一系列模擬實驗。在智能手機散熱模擬中，搭載該石墨膜的芯片表面最高溫度從 52℃大幅降至 45℃，有效緩解了芯片過熱問題，提升了手機運行的穩(wěn)定性和用戶體驗。

在更為嚴(yán)苛的 2000 W/cm² 熱流密度的高功率芯片散熱模擬中，該石墨膜同樣表現(xiàn)出色，使芯片表面溫差從 50℃驟降至 9℃，能夠快速實現(xiàn)溫度均勻化，確保高功率芯片在極端條件下也能穩(wěn)定運行。

這項研究不僅揭示了芳綸前驅(qū)體在石墨膜制備中的獨特優(yōu)勢，更重要的是證明了氮摻雜與低氧含量前驅(qū)體能夠顯著提升石墨膜的結(jié)晶質(zhì)量和雙向?qū)崽匦浴?/span>

其在雙向?qū)嵝阅苌系闹卮笸黄疲瑸?5G 芯片、功率半導(dǎo)體等高功率器件的熱管理提供了關(guān)鍵材料和技術(shù)支撐。隨著相關(guān)技術(shù)的進一步完善和產(chǎn)業(yè)化推進，芳綸基雙向高導(dǎo)熱石墨膜有望廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空航天等多個領(lǐng)域，為推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)升級發(fā)揮重要作用。

該研究成果以 “Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics” 為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（2025, 2425824，https://doi.org/10.1002/adfm.202425824）。論文第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生鄭豪龍、楊舒景，研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的大力支持。這一成果的取得，是科研團隊多年來不懈努力和創(chuàng)新探索的結(jié)果，也為未來熱管理材料的研究和發(fā)展開辟了新的方向。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_578271.html
來源：賢集網(wǎng)
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