【復(fù)材資訊】金剛石散熱領(lǐng)域取得重要新成果
07-22 06:42
電子設(shè)備不斷朝著小型化、高功率化發(fā)展，這對熱管理提出了更高要求。高分子復(fù)合材料由于輕質(zhì)且易于加工，常被應(yīng)用于熱管理領(lǐng)域。然而，其固有的低導熱性難以滿足高熱流密度設(shè)備的需求。為了提升其導熱系數(shù)，人們通常會添加導熱填料，但這又帶來了新的問題。一方面，填料與基體樹脂間的界面熱阻顯著增加，導致熱量傳導效率大幅降低；另一方面，高比例填料的加入往往會使材料的力學性能變差，如沖擊強度下降、韌性降低，進而影響器件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
聚（離子液體）（PIL）、液態(tài)金屬（LM ）、金剛石等新材料因其獨特特性受到關(guān)注。但在實際應(yīng)用中，這些材料面臨著一些共性挑戰(zhàn)。PIL 與基體的相容性不足，容易引發(fā)相分離；LM 與高分子界面的浸潤性差，導致分散不均；金剛石成本高，且與樹脂界面存在熱匹配難題，這些都制約著材料間的有效復(fù)合以及協(xié)同散熱效能的充分發(fā)揮。
近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院么依民團隊提出了一種導熱復(fù)合材料，該材料結(jié)合了聚（離子液體）（PIL）、聚（1 - 辛基 - 3 - 乙烯基咪唑）雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺 （P[OVIm]NTf?）、液態(tài)金屬 （LM） 和金剛石作為雙重填料。這種復(fù)合材料在鋼基材上實現(xiàn)了 14.2 W/mK 的導熱系數(shù)、74% 的拉伸伸長率和 0.99 MPa 的界面粘合強度。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面工程，它具備了卓越的機械柔韌性和可加工性，動態(tài)流變分析也證實了這一點。
在芯片封裝測試中，該復(fù)合材料通過降低界面熱阻來提高散熱效率。金剛石的摻入可以防止 LM 氧化，在老化測試（-55 至 125℃，300 次循環(huán)；50℃，1000 小時）后，能保持 99% 的表面覆蓋率，并將性能下降降至最低。鍍鉻金剛石進一步提高了材料在高濕度和高溫環(huán)境下的可靠性。這種三元系統(tǒng)解決了高填料含量和熱界面材料柔韌性之間的矛盾。界面增強和協(xié)同穩(wěn)定機制平衡了導熱性與長期可靠性。這些發(fā)現(xiàn)推動了聚離子液體在熱管理中的應(yīng)用，為大功率電子產(chǎn)品提供了耐用的解決方案，尤其適用于極端條件。
該研究建立了一個用于設(shè)計具有優(yōu)化性能和穩(wěn)定性的熱界面材料的框架。研究成果以“Synergistic Liquid Metal - Diamond - Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。
圖 1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf?的化學式，(b) X 射線光電子能譜（XPS）分析，(c) 展示柔韌性、拉伸性能和黏度的實物圖，(d) 金剛石微粉的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，(e) 鍍鉻金剛石微粉的掃描電子顯微鏡圖像，以及(f) 鍍鉻金剛石的能量色散 X 射線光譜（EDS）元素分布圖。
圖 2. 復(fù)合材料表征：（a）P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石粘彈性體的制造工藝，（B）液態(tài)金屬和鉻涂層金剛石之間的界面相互作用機制，（c）宏觀柔性演示，（d）復(fù)合材料的橫截面 SEM，（e）液態(tài)金屬橋接金剛石顆粒的示意圖，以及（f）Ga 分布的 EDS 圖。
圖 3. 力學性能表征：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）/金剛石含量下的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為，(b) 彈性模量與液態(tài)金屬含量的關(guān)系，(c) 韌性評估，(d) 與剛性顆粒復(fù)合材料的拉伸性能對比，(e) 拉伸性能基準測試，(f) 不同液態(tài)金屬/金剛石配比樣品的界面粘合強度分析，以及(g) 粘合性能的實物展示。
圖 4. 流變性能表征：(a - c) 不同液態(tài)金屬/金剛石比例（1:1、1:2、1:3）下儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨溫度的變化，(d - f) 相應(yīng)比例下黏度隨溫度的變化曲線。
圖 5. 熱性能評估：(a) 導熱系數(shù)隨液態(tài)金屬/金剛石填料負載量的變化，(b) 與聚合物基熱復(fù)合材料的性能對比，(c) 散熱測試示意圖，(d) 溫度變化對比（與 P[OVIm]NTf?材料及無熱界面材料情況相比），(e) 1500 次熱循環(huán)（加熱 - 冷卻循環(huán)）下的穩(wěn)定性。
圖 6. 熱穩(wěn)定性和耐老化性能評估：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體在空氣氣氛下的熱重分析（TGA）曲線；(b) 不同液態(tài)金屬和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖；(c) 夾層樣品照片；(d) 冷熱沖擊老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(e) 高溫存儲老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(f) 高溫高濕老化測試過程中樣品膨脹率的變化。
圖 6. 熱穩(wěn)定性和耐老化性能評估：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體在空氣氣氛下的熱重分析（TGA）曲線；(b) 不同液態(tài)金屬和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖；(c) 夾層樣品照片；(d) 冷熱沖擊老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(e) 高溫存儲老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(f) 高溫高濕老化測試過程中樣品膨脹率的變化。
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原標題：《【復(fù)材資訊】金剛石散熱，又有重要新成果》
聚（離子液體）（PIL）、液態(tài)金屬（LM ）、金剛石等新材料因其獨特特性受到關(guān)注。但在實際應(yīng)用中，這些材料面臨著一些共性挑戰(zhàn)。PIL 與基體的相容性不足，容易引發(fā)相分離；LM 與高分子界面的浸潤性差，導致分散不均；金剛石成本高，且與樹脂界面存在熱匹配難題，這些都制約著材料間的有效復(fù)合以及協(xié)同散熱效能的充分發(fā)揮。
近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院么依民團隊提出了一種導熱復(fù)合材料，該材料結(jié)合了聚（離子液體）（PIL）、聚（1 - 辛基 - 3 - 乙烯基咪唑）雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺 （P[OVIm]NTf?）、液態(tài)金屬 （LM） 和金剛石作為雙重填料。這種復(fù)合材料在鋼基材上實現(xiàn)了 14.2 W/mK 的導熱系數(shù)、74% 的拉伸伸長率和 0.99 MPa 的界面粘合強度。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面工程，它具備了卓越的機械柔韌性和可加工性，動態(tài)流變分析也證實了這一點。
在芯片封裝測試中，該復(fù)合材料通過降低界面熱阻來提高散熱效率。金剛石的摻入可以防止 LM 氧化，在老化測試（-55 至 125℃，300 次循環(huán)；50℃，1000 小時）后，能保持 99% 的表面覆蓋率，并將性能下降降至最低。鍍鉻金剛石進一步提高了材料在高濕度和高溫環(huán)境下的可靠性。這種三元系統(tǒng)解決了高填料含量和熱界面材料柔韌性之間的矛盾。界面增強和協(xié)同穩(wěn)定機制平衡了導熱性與長期可靠性。這些發(fā)現(xiàn)推動了聚離子液體在熱管理中的應(yīng)用，為大功率電子產(chǎn)品提供了耐用的解決方案，尤其適用于極端條件。
該研究建立了一個用于設(shè)計具有優(yōu)化性能和穩(wěn)定性的熱界面材料的框架。研究成果以“Synergistic Liquid Metal - Diamond - Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。
圖 1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf?的化學式，(b) X 射線光電子能譜（XPS）分析，(c) 展示柔韌性、拉伸性能和黏度的實物圖，(d) 金剛石微粉的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，(e) 鍍鉻金剛石微粉的掃描電子顯微鏡圖像，以及(f) 鍍鉻金剛石的能量色散 X 射線光譜（EDS）元素分布圖。
圖 2. 復(fù)合材料表征：（a）P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石粘彈性體的制造工藝，（B）液態(tài)金屬和鉻涂層金剛石之間的界面相互作用機制，（c）宏觀柔性演示，（d）復(fù)合材料的橫截面 SEM，（e）液態(tài)金屬橋接金剛石顆粒的示意圖，以及（f）Ga 分布的 EDS 圖。
圖 3. 力學性能表征：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）/金剛石含量下的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為，(b) 彈性模量與液態(tài)金屬含量的關(guān)系，(c) 韌性評估，(d) 與剛性顆粒復(fù)合材料的拉伸性能對比，(e) 拉伸性能基準測試，(f) 不同液態(tài)金屬/金剛石配比樣品的界面粘合強度分析，以及(g) 粘合性能的實物展示。
圖 4. 流變性能表征：(a - c) 不同液態(tài)金屬/金剛石比例（1:1、1:2、1:3）下儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨溫度的變化，(d - f) 相應(yīng)比例下黏度隨溫度的變化曲線。
圖 5. 熱性能評估：(a) 導熱系數(shù)隨液態(tài)金屬/金剛石填料負載量的變化，(b) 與聚合物基熱復(fù)合材料的性能對比，(c) 散熱測試示意圖，(d) 溫度變化對比（與 P[OVIm]NTf?材料及無熱界面材料情況相比），(e) 1500 次熱循環(huán)（加熱 - 冷卻循環(huán)）下的穩(wěn)定性。
圖 6. 熱穩(wěn)定性和耐老化性能評估：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體在空氣氣氛下的熱重分析（TGA）曲線；(b) 不同液態(tài)金屬和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖；(c) 夾層樣品照片；(d) 冷熱沖擊老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(e) 高溫存儲老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(f) 高溫高濕老化測試過程中樣品膨脹率的變化。
圖 6. 熱穩(wěn)定性和耐老化性能評估：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體在空氣氣氛下的熱重分析（TGA）曲線；(b) 不同液態(tài)金屬和金剛石含量的 P[OVIm]NTf?/LM - 金剛石黏彈性體的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖；(c) 夾層樣品照片；(d) 冷熱沖擊老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(e) 高溫存儲老化測試過程中樣品覆蓋率的變化；(f) 高溫高濕老化測試過程中樣品膨脹率的變化。
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