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福建物構(gòu)所林悅團(tuán)隊(duì) AFM：單分子層界面軟化技術(shù)助力高填充量熱界面材料實(shí)現(xiàn)低熱阻
2024-04-15  來源：高分子科技
  TIM是放置在功率電子器件與散熱器件之間的關(guān)鍵材料，它的作用是傳導(dǎo)熱量以保證器件的穩(wěn)定工作，TIM的性能由其有效熱阻抗REFF決定。REFF是材料熱阻（RB）和接觸熱阻（RC）的和，這兩個參數(shù)共同決定了TIM的散熱效率。


圖1 a) 具有TIMs與否對界面處溫度梯度的影響；b) 填充度對REFF的影響，其值為RC和RB總和。


  在工業(yè)界，降低REFF一直面臨挑戰(zhàn)：在增加TIM填充度的同時降低RC和RB往往是相互矛盾的。而林悅團(tuán)隊(duì)通過在商業(yè)化Al2O3顆粒上施加自組裝單分子層（SAMs）表面改性，成功實(shí)現(xiàn)了在增加TIM填充度的同時降低RC和RB。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法使得78vol%的TIM的REFF從未改性的2.265 Kcm2/W降至0.169 Kcm2/W。


圖2 a) SAMs在Al2O3表面的接枝過程；b) Al2O3-SAMs-基體結(jié)構(gòu)示意圖；c) This Work 與其他先進(jìn)策略下的RC和RB對比。


  林悅團(tuán)隊(duì)還詳細(xì)分析了SAMs的接枝過程以及Al2O3與SAMs之間的結(jié)合機(jī)制，進(jìn)一步通過紅外光譜（FT-IR）和X射線光電子能譜（XPS）分析證實(shí)了SAMs的成功接枝，并觀察到界面鍵合顯著增強(qiáng)。


圖3 a) FT-IR顯示C-H的拉伸振動，來自SAMs中的-CH3和-CH2-；b) XPS元素分析表明改性前后C元素的增多；c) 表面能的低證明Al2O3表面的SAMs存在，d) XPS中Al 2p的精細(xì)譜研究證明Al-O-Si的形成。


  這種界面軟化技術(shù)使得材料在高應(yīng)力下的屈服應(yīng)力（σy）顯著降低，表現(xiàn)出更好的流變性能。此外，通過對材料的儲能模量（G''）和損耗模量（G''''）的測試，研究人員發(fā)現(xiàn)SAMs的引入還促進(jìn)了TIM的黏彈性能，有助于進(jìn)一步強(qiáng)化散熱效果。


圖4 a) SAMs改性前后TIM的RB和BLT數(shù)據(jù)和b) RC數(shù)據(jù)；c) 屈服應(yīng)力σy；模量G，由儲能模量G''和損耗模量G''''計算獲得；d) TIM中微觀結(jié)構(gòu)的演變。


  該研究不僅在理論上提供了新的見解，而且通過實(shí)際的循環(huán)穩(wěn)定性測試和散熱能力評估證明了這種新型TIM在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。這項(xiàng)工作證明通過分子層面的界面工程可以有效解決宏觀散熱材料設(shè)計中的矛盾，該途徑不僅可以保持TIM機(jī)械性能，還可以實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。


圖5 a) 基于T3 ster的裝置示意圖；b) 1000次循環(huán)測試其穩(wěn)定性；c) 相較于商業(yè)品的實(shí)際散熱能力以及d) 熱成像記錄。

  研究的詳細(xì)內(nèi)容可以在《Advanced Functional Materials》上查看，其中有對先進(jìn)熱界面材料設(shè)計至關(guān)重要的分子結(jié)構(gòu)和界面改性技術(shù)的深入分析。欲了解該研究的更多信息，請?jiān)L問原文鏈接；欲了解林悅團(tuán)隊(duì)的更多信息，請?jiān)L問課題組鏈接。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402276


  課題組鏈接：http://www.fjirsm.ac.cn/ly/

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