新方法,60s制備石墨陣列氣凝膠

近年來人工智能(AI)的快速發(fā)展推動(dòng)了電子設(shè)備計(jì)算和功耗需求的指數(shù)級增長,對傳統(tǒng)熱管理解決方案提出了重大挑戰(zhàn),隨著算法復(fù)雜度和半導(dǎo)體芯片功率密度的不斷升級,器件工作期間的局部過熱已成為一個(gè)關(guān)鍵問題。這種溫度激增不僅會(huì)降低性能,而且會(huì)縮短使用壽命,甚至災(zāi)難性的失敗。因此,高效的熱管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)中不可或缺的組件,特別是在高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、5G通信、自動(dòng)駕駛和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中。構(gòu)建高效的垂直導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)以提高貫通面導(dǎo)熱系數(shù)是一個(gè)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

近日,吉林大學(xué)鄒陸一、吳同舜團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一種新穎的快速“壓縮引導(dǎo)排列&受控定向膨脹”策略,在短短60s內(nèi)制備高度取向、互連的石墨陣列氣凝膠(GAA)框架,標(biāo)志著高效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重大進(jìn)步。通過采用新型的“壓縮導(dǎo)向?qū)?zhǔn)&可控定向膨脹”組裝技術(shù),可擴(kuò)展方法創(chuàng)建了垂直石墨陣列氣凝膠框架,通過流線型加工和顯著的能耗降低克服了傳統(tǒng)方法的局限性。當(dāng)與硅橡膠(SR)結(jié)合時(shí),所得的GAA/SR復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的貫通面導(dǎo)熱性(50.621 W/m.K),明顯的機(jī)械各向異性和低密度(0.983 g/cm3)。該材料的上級交叉平面熱性能源于其高度取向的石墨層結(jié)構(gòu),使其特別適合于高功率微電子應(yīng)用中的熱管理。研究成果以“Carbon-based 3D array-reinforced thermal interface materials with highly oriented structure and superior thermal conductivity”為題發(fā)表《Carbon》上。

圖1.(a)ADC@EG和(B)GAA/SR的合成工藝示意圖。
圖2.給出了(a)ADC@EG和(B)GAA尺寸的比較;(c)ADC@EG、GAA和GAA/SR的光學(xué)圖像;(d)GAA/SR彎曲的圖像;(e)ADC@EG和(f)GAA的顯微照片;(g)放置在花上的GAA/SR。
圖3.(a)純膨脹石墨壓縮塊的表面結(jié)構(gòu);(B)GAA的平面結(jié)構(gòu);(c)GAA的垂直平面結(jié)構(gòu);(d)GAA 4、(e)GAA 3和(f)GAA 1的平面結(jié)構(gòu)。
圖4.(a)平行于平面的GAA結(jié)構(gòu);(B)進(jìn)一步放大的GAA二級結(jié)構(gòu);(c)GAA二級結(jié)構(gòu)之間的橋脊結(jié)構(gòu);(d)垂直于平面的GAA結(jié)構(gòu);(e-f)進(jìn)一步放大的二級結(jié)構(gòu)的三級互鎖層狀結(jié)構(gòu);(g)CEG和GAA的拉曼光譜;(h)垂直于和平行于壓力方向的GAA的XRD;(i)垂直于和平行于壓力方向的CEG的XRD。
圖5.(a)熱導(dǎo)率示意圖;(B)參考文獻(xiàn)30及其與本文工作的傳熱機(jī)理對比圖;(c)本文工作(OW)與近年來報(bào)道的熱界面熱導(dǎo)率材料(R1-9)在高厚度方向上的熱導(dǎo)率對比;(d)顯示GAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨壓力變化的曲線。(e)顯示GAA/SR熱導(dǎo)率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的曲線。(f)顯示GAA/SR熱導(dǎo)率隨壓力變化的曲線。(g)四個(gè)樣品的密度變化的線圖。(h)抗老化曲線。(i)四個(gè)樣品的TCE比較
圖6.商業(yè)TIM(藍(lán)色)和GAA/SR(黑色)復(fù)合材料在(a)熱源和(B)冷源上的紅外熱成像比較;在加熱(c)和冷卻(d)期間不同TIM表面的最大溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線;純SR(e)和GAA/SR(f)的有限元分析圖像。
圖7.(a)LED熱管理測試裝置的圖示;(B)分別用于LED燈散熱的商業(yè)TIM和GAA/SR TIM的光學(xué)圖像;(c)使用商業(yè)TIM和GAA/SR作為TIM進(jìn)行測試期間LED表面工作溫度的紅外熱成像;(d)LED燈表面最高溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖8.(a)以GAA/SR作為TIM固定在散熱器上的計(jì)算機(jī)CPU的設(shè)備演示;(B)CPU在不同粉末使用狀態(tài)下的溫度。
圖9.(a)GAA框架軸;(B)書重疊互鎖結(jié)構(gòu);(c)楊氏模量比較圖。
原文:https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120693
信息來源:Carbontech