来源 | Journal of Colloid and Interface Science

链接 | https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.137502

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背景介绍

石墨烯的超高面内热导率使其成为各种电子应用中理想的导热薄膜材料。然而，传统石墨薄膜（GrF）中固有的层间弱相互作用导致其面外热导率较低。利用石墨烯的面内热性能在横平面方向上会显著降低面外热阻，这通常可以通过微米和宏观方法控制石墨烯取向从面内到面外排列来实现，但由于复杂的加工和可扩展性问题，这些技术在实际应用中面临挑战。例如，通过将石墨烯片材滚压成垂直排列的石墨烯薄膜并引入液态聚二甲基硅氧烷，制成了面外热导率高于银的石墨烯复合薄膜。然而，随着厚度减小到数十或数百微米以满足应用需求，石墨烯复合薄膜的平面方向上的抗拉强度将变得非常弱，因为垂直排列的石墨烯的松散堆叠结构。因此，实现可扩展且可控的方法对于释放石墨烯薄膜作为具有优异面外热导率和机械性能的热界面材料（TIMs）的潜力至关重要。

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成果掠影

近日，重庆理工大学唐波、深圳先进技术研究院丁宝福、鸿凌达郭志军团队首次开发了一种新型结构，即在石墨薄膜中开孔的微窗口阵列（MW-GrF），通过激光蚀刻辅助和微折纸方法显著增强了面外热导率。开孔的微窗口阵列作为桥梁，通过利用微窗口的超高面内热导率来促进界面热传输，从而实现面外热阻降低。同时，MW-GrF的面外热导率大幅提高到82.4–89.6 W/mK，相比之下原始GrF的热导率仅为4.4–6.9 W/mK。这项工作为精细调整石墨烯薄膜的面外热性能提供了一种简单、可扩展且可重复的方法，使其成为未来高功率芯片高效散热的有前途的候选材料。研究成果以“High through-plane thermal conductivity of graphite films with opened micro-window arrays”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊。

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图文导读

图1.受折纸启发的结构设计，以降低面外方向的导热热阻。

图2. (a) MW-GrF的制造过程示意图。(b) 使用激光雕刻制作的可设计图案的GrF，以及激光雕刻和粘合后的GrF。(c) 开孔微窗口阵列的MW-GrF样品。

图3.铰链处胶水对面外热传导的影响。(a) 胶水涂覆在MW-GrF样品整个薄膜表面的示意图。(b) 胶水仅涂覆在铰链部分的MW-GrF样品的示意图。在三种条件下，石墨烯薄膜（100微米）弯曲部分的扫描电子显微镜（SEM）图像：(c) 无粘合剂，(d) 粘合剂涂覆在整个表面，(e) 选择性涂覆粘合剂。(f) 三个MW-GrF样品在加热板上的红外图像。

图4.(a) 不同厚度的GrF样品和(b) MW-GrF样品在70–700 kPa压力下的面外热阻。(c) 在不同压力下，MW-GrF样品与原始GrF样品相比，面外热阻的降低比例。(d) 不同压力下，MW-GrF样品（50微米）和GrF样品（25微米和50微米）的面外热阻。(e) 不同压力下，MW-GrF样品（50微米）和原始GrF样品（50微米）的等效热导率。(f) 原始GrF样品和相应的MW-GrF样品的面外热导率。

图5.MW-GrF/GrF和空白对照的热性能。(a) 评估热传导性能的定制装置示意图；整个结构包括一个绝缘平台（1）、一个加热器（2）、一个热界面材料（TIM）（3）、一个散热器（4）、一个提供封装压力的重物（5）、一个电源（6）和热电偶（7）。(b) 加热器背面温度随时间的变化关系。(c) 稳态下，加热器背面温度对应于不同功率。(d) 在热端100 ℃热传导模型下，GrF的热端和冷端温度。(e) MW-GrF的热端和冷端温度。