来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129415

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电子设备 “降温危机” 如何破解？这款关键材料成突破口

在消费电子与高端制造领域，“更小、更快、更强” 早已成为技术演进的核心命题 —— 笔记本电脑机身薄至 15mm 以下，5G 基站芯片运算速率较 4G 提升 10 倍，电动汽车功率模块能量密度突破 300Wh/kg。然而，性能跃迁的背后，是一个日益严峻的 “隐形障碍”：热量堆积。当晶体管尺寸从微米级缩小至纳米级，电子设备的功率密度呈指数级攀升，部分高性能处理器的热流密度已突破数百 W/cm²，相当于在指甲盖大小的面积上，持续释放着堪比家用燃气灶的热量。若这些热量无法及时疏导，轻则触发 “thermal throttling（ thermal throttling）”—— 设备主动降频以保护硬件，导致卡顿、延迟；重则造成材料降解、焊点脱落，甚至引发芯片永久性损坏，直接缩短设备寿命。

在这一背景下，热界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs） 成为了电子设备热管理系统中的 “关键桥梁”。看似光滑的芯片与散热器表面，在微观视角下实则布满凹凸不平的 “沟壑”，空气或真空填充其中，形成巨大的热阻屏障。而 TIMs 的核心作用，正是通过填充这些界面空隙、增大实际接触面积，将发热元件（如处理器、功率模块）与散热结构（如散热器、均热板、液冷系统）紧密连接，大幅降低热阻，实现高效热传递。

随着技术场景不断拓展，TIMs 的性能需求也在持续升级。在高算力数据中心，AI 服务器 24 小时满负荷运行，需要 TIMs 具备长期稳定性，避免因 “干涸” 或 “泵出效应” 导致热阻上升；在新能源汽车领域，SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）功率模块需耐受 - 40℃至 150℃的极端温度循环，对 TIMs 的机械柔韧性与耐候性提出严苛要求；而在可穿戴设备、折叠屏手机等小型化产品中，TIMs 还需兼顾超薄形态与柔性适配能力。

传统 TIMs 如导热硅脂、相变材料（PCMs）虽能满足中低功率场景需求，但在高功率密度、长周期运行条件下逐渐力不从心 —— 硅脂易因高温流失，PCMs 自身导热系数偏低，难以应对瞬时热冲击。为此，科研界正将目光转向纳米材料与复合结构：碳纳米管（CNTs）阵列的轴向导热系数可达 3000W/mK，石墨烯基复合材料兼具高导热与柔性，垂直排列的金属纳米线则能构建高效热传导路径。这些创新方向，不仅旨在突破传统材料的性能瓶颈，更试图通过 “界面工程”“混合架构设计” 等策略，同步解决热导率、机械兼容性与环境稳定性的多重挑战。

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成果掠影

近日，Jaypee Institute of information and technology的Narinder Kaur团队本文聚焦电子设备热管理痛点，指出器件微型化导致功率密度攀升（部分处理器热流密度超数百 W/cm²），热量堆积引发设备降频、寿命缩短，而热界面材料（TIMs）作为连接发热元件与散热结构的关键，通过填充界面空隙降低热阻是破解热瓶颈的核心；传统 TIMs 各有适用场景，导热硅脂成本低、易涂覆但长期易干涸，相变材料（PCMs）善缓冲瞬态热冲击却需纳米填料提导热性，导热胶带操作便捷但导热率低，金属基 TIMs 导热极高却易氧化、成本高，陶瓷基 TIMs 兼具绝缘与耐高温却较脆；纳米材料突破传统性能天花板，碳纳米管（CNTs）轴向导热率超 3000W/m・K，石墨烯导热率 2000-5000W/mK 且柔性好，Cu 纳米线低占比即可大幅提升环氧树脂导热率，还可通过 “高导热网络 + 柔性粘结剂 / 相变层” 混合设计平衡性能，界面工程优化效果优于单纯提本体导热率；未来需开发 2D 材料（MoS₂、h-BN）、金刚石 - 石墨烯杂化物及可降解纳米纤维素 TIMs，强化 TIMs 抗热循环可靠性，推动无溶剂制备等产业化技术，用分子动力学、机器学习加速研发，最终通过多维度协同突破热阻、稳定性与成本约束，支撑下一代电子设备发展。研究成果以“Thermal Interface materials for efficient heat management in electronics” 为题，发表于《Applied Thermal Engineering》期刊。

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图文导读

图 1：(a) 电子设备热管理示意图(b) 热阻网络示意图(c) 热界面材料（TIM）的分子模型（以聚合物基热界面材料为代表）

图 2：左侧：未使用热界面材料时的散热示意图（标注 “Air R” 表示空气热阻、“Ra” 表示表面粗糙度、“Distance” 表示间距、“THeater” 表示发热体温度、“THeatsink” 表示散热器温度）右侧：使用热界面材料（TIM）促进电子设备散热的示意图（标注 “TIM1”“TIM2” 分别表示不同位置的热界面材料、“BLT” 表示热界面材料厚度）

图 3：(a) 材料制备过程示意图（标注 “POE”“BD” 为材料缩写，具体需结合上下文，可能指聚烯烃、丁二烯等）(b) 材料制备原理示意图(c) 相变型热界面材料（PCTIMs）填充粗糙表面以降低接触热阻的示意图

图 4：(a) 不同复合材料的结构示意图（从左至右：GOPVDF-HIPDMI 复合材料、GO-PVDF-HIFP 复合材料、rGO-PVDF-HIFP 复合材料，“GO” 指氧化石墨烯、“PVDF” 指聚偏氟乙烯，其余为功能基团缩写）(b) 材料制备流程示意图（从左至右：等离子体处理 SiC 纳米棒、SiO₂纳米颗粒修饰石墨烯纸（GHP）的过滤 - 退火 - 快速制备过程、Ag 纳米颗粒修饰细菌纤维素（AgNPs@BC）的过滤制备过程、石墨烯纳米片（GNPs）与 Al₂O₃的复合过程）(c) 石墨烯基材料的不同结构示意图（从左至右：石墨烯纸、褶皱石墨烯、石墨烯块体，标注 “MN”“Shrinking”“Compressing” 分别表示微纳结构、收缩工艺、压缩工艺）