来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202520631

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背景介绍

随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长，尤其是柔性电子、航空航天等领域对设备在动态、振动环境下稳定运行的要求日益严苛，开发兼具高导热与优异机械柔顺性的热界面材料（TIMs）已成为科学和工业界的研究热点。然而，目前已报道的弹性热界面材料的导热效率远未达到预期，核心矛盾在于复合材料的高导热率（κ）与软弹性难以兼顾。高κ依赖声子在有序的刚性晶体（如石墨烯、氮化硼）中高效传递，需要建立完整的导热通路。而软弹性则源于聚合物长链分子无规缠绕形成的非晶态结构，弱键合和分子链的滑移能力赋予了材料软弹性和可变形性。引入高导热填料会导致高界面热阻，且为形成有效导热网络常需高填充量，刚填料性网络会限制聚合物分子链的运动，使材料硬化，损害弹性，甚至导致界面脱粘和填料网络断裂。

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成果掠影

近期，天津大学封伟、秦盟盟团队受自然界中蒲公英径向结构启发，设计并制备了一种负载液态金属的石墨烯气凝胶微球（LMGS），成功构建出兼具高导热、超柔软、抗泄漏和动态稳定性的仿生热界面材料（HLMGS/E）。该材料以径向排列的石墨烯气凝胶为“骨架”封装液态金属微粒，这种仿生径向结构可以实现热量的快速与各向同性扩散。通过微流控冰模板法构建径向导热网络，HLMGS/E 实现6.64 W/(m.K)的热导率、11.1 W/(m.K)/vol% 的体积比热导率及502.8 kPa 的超低压缩模量，100 次 40% 应变循环后回弹率达94.7% ，且能抑制 LM 泄漏，3000 次热冲击后温度波动 < 2.8℃；其性能显著优于传统随机分散（RLMG/E）、气凝胶基（LMGA/E）及商用 TIMs（如 Laird Tflex 700），为下一代柔性电子和航空航天系统的动态界面热管理提供新方案。研究成果“Dandelion-Inspired Radial OrientedMicrospheres for Dynamic Interface Thermal Management”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图2. LMGS的形态和结构表征。a）振动频率和注射速率对LMGS尺寸影响的矩阵图；b）冷冻速率与LMGS微球密度/孔隙率之间的相关性；c）代表性表面形态和d，e）LMGS的横截面，f）显示LMGS内部径向布置的导热路径的相应高放大倍数视图。LMGS与石墨烯纳米片的XPS C 1 s光谱，以及h）LMGS和EGaIn的XPS Ga 3d光谱。i）界面设计之前和之后的优化结构和结合能。

图3. HLMGS/E复合材料的形态和结构表征。a）随机分散的填料、聚合物渗透的预成型导热网络与基于微球的热路径的制造过程示意图。b）通过研磨方法随机取向的LM和石墨纳米片复合材料的SEM图像。c、c′、c″）LMGA/E复合材料的SEM图像及其相应的放大视图。d、e）HLMGS/E复合材料的SEM图像及其特写视图，显示了微球的完美界面结合。f）通过EDS绘图获得的HLMGS/E的元素分布曲线。g）微尺度X射线计算机断层扫描（Micro-CT）扫描，显示了具有各向同性热路径的HLMGS/E的3D微观结构。h）光学显微镜，显示了在压缩、拉伸和扭转应力下的机械顺应性。