来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-025-56163-8

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背景介绍

高效散热对于节省能源和防止各种高能量密度设备和系统的故障至关重要。随着未来电子设备和系统中异质集成的增加，界面处的热阻已成为高效热管理的关键瓶颈。尽管热界面材料（TIMs，如焊料、膏体等）已被广泛用于减轻界面热阻，但它们必须同时具备低体热阻和低接触热阻，以确保最佳热性能。此外，TIM应具有机械柔软性，以有效吸收界面处热膨胀系数（CTE）不匹配产生的热应力。这些严格要求对高性能多功能TIM开发提出巨大挑战。传统的焊料和可焊接的纳米结构TIM具有高热导率和低接触电阻，但依赖于高温焊接过程，限于特定材料表面，这阻碍了它们作为通用连接件的应用。尽管聚合物复合TIM，如导热膏和化合物，具有高柔顺性，但它们面临着“泵出”问题，这导致可靠性差，并且由于分散的导电填料之间的热传导散射，导致热性能低。与液态导热膏/化合物相比，固态热垫在材料排列上更具可编程性，因此可能实现更高的热导率。然而，由于制造限制以及与基板的直接热接触导致热界面材料厚度较大，导致高体热阻和接触热阻，影响其整体热性能。迄今为止，仍然缺乏一种能够满足热管理关键需求的通用高性能TIM。

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成果掠影

近日，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）申盛教授团队提出一种创建高性能液体浸渍纳米结构复合材料的策略。该复合材料由机械柔软且导热的双面铜纳米线阵列支架组成，并浸渍了定制的热桥液体，以抑制接触热阻。液体浸渍的概念适用于广泛的界面热应用。值得注意的是，浸渍液态金属的纳米结构复合材料在界面处表现出超低的热阻<1mm² K/W，优于芯片冷却领域的先进热界面材料。纳米结构复合材料的高可靠性使其能够在极端温度循环中保持性能不下降。预计液体浸渍纳米结构复合材料将成为数据中心、GPU/CPU系统、固态激光器和LED等冷却应用中的通用热界面解决方案。研究成果以“Liquid-infused nanostructured composite as a high-performance thermal interface material for effective cooling”为题发表于《Nature Communications》期刊。

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图文导读

图1.液体浸渍纳米结构复合材料（LINCs）。a）LINCs的示意图，其中一个超薄、机械柔韧且导热的双面铜纳米线（CuNW）阵列支架被浸渍了定制的热桥液体。CuNW阵列像“纳米弹簧”一样顺应目标表面，并作为界面间有效的热流通道。浸渍的液体有效地在热学上将CuNW尖端与目标表面桥接，从而大幅抑制了LINCs的接触电阻。这种多功能热桥液体允许预包装，在使用非粘合剂时提供可再加工性，并能够在室温下使用粘合剂实现两个基板的热粘合，类似于焊接，但适用范围更广，适用于不可焊接材料，因此作为通用高性能热界面材料（TIM）具有高度的可定制性，适用于广泛的应用；b）CuNW支架的顶视原子力显微镜图像；c）CuNW支架的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺，20微米；d）CuNW支架，e）甘油-LINC，f）液态金属-LINC的图片，大小约为30×30毫米。

图2.热学和力学性能表征。a）典型的频域热反射（FDTR）数据图以及对热传导模型的最佳最小二乘拟合。插图：被测样品的照片和标有蓝色的9个测试点，比例尺，5毫米；b）从不同测试点的FDTR测量中提取的铜纳米线（CuNW）阵列层的热导率直方图汇总，误差棒数据列在补充信息表S1中；c）示意图展示了ASTM D5470标准热测量原理；d）在ASTM D5470标准下测试的无热桥液体和有不同热桥液体的液体浸渍纳米结构复合材料（LINCs）的压力依赖性热阻，其中液态金属-LINC在50 Psi以上显示出极低的热阻（<1 mm² K W⁻¹）。两种商用的热膏，其报告的热导率分别为8.5 W m⁻¹ K⁻¹和14.2 W m⁻¹ K⁻¹，在相同的设置下作为参考进行测量，误差棒数据可在源数据中获取；e）使用原位圆柱形平面压痕对孤立的CuNW束进行刚度表征。插图：孤立的纳米线束上纳米压痕过程的扫描电子显微镜图像，比例尺，5微米；f）在连续刚度测量中的位移与刚度曲线，显示了单面和双面薄膜的刚度结果，每个薄膜来自三个不同的压痕位置，其中双面薄膜的刚度约为单面薄膜的一半，表明了双面设计的结构优势。源数据以源数据文件的形式提供。

图3.液体浸渍纳米结构复合材料（LINCs）的原位功率循环和温度循环测试。a）实物图，以及b）用于测试热界面材料（TIMs）循环稳定性的原位功率循环测试设置的示意图；c）液态金属-LINC的典型循环温度曲线；d）在超过2600次功率循环中，测量环境温度与平衡加热器温度之间的温差。液态金属-LINC显示出高可靠性，没有明显的性能下降；e）安装在Linkam平台上并配备液氮泵以精确快速控制温度的组件照片；f）使用Linkam平台在从-55°C到125°C的极端温度范围内进行1000次循环的加速老化测试；g）示意图展示了温度循环前后的温度历史测量，其中使用热红外显微镜来监测内置38W陶瓷加热器开启时碳钢基板的顶面温度；h）实时碳钢基板表面温度数据。液态金属-LINC组件在1000次循环后显示出稳定的热性能。源数据以源数据文件的形式提供。

图4.CPU散热测试的演示。a）自制的开放式桌面测试站，配备了一个65W的标准办公级CPU和一个风冷散热器，右侧的图片显示了涂在测试CPU上的导热膏和液体浸渍纳米结构复合材料（LINCs）；b）示意图展示了浸渍液体的热桥接效应的机制，其中纳米线-表面的点对点“干”接触转变为纳米线/液体-表面的复合接触，大幅降低了接触电阻；c）使用无热桥液体和有不同热桥液体的液体浸渍纳米结构复合材料（LINCs）时，测试CPU在满载下的温度数据。空气、异丙醇（IPA）、甘油、水和液态金属的热导率（k）分别约为0.024、0.140、0.287、0.600和73 W m⁻¹ K⁻¹。随着k的增加而改善的散热效果以及IPA桥接界面的观察到的两阶段温度行为清楚地验证了热桥液体的热传输机制；d）在与液态金属-LINC对比最先进的热界面材料（TIMs）时，测试CPU在满载下的温度数据。参考TIMs 1、2和3是广泛使用的导热膏和相变材料垫，声称的热导率分别为3.8、8.5和14.2 W m⁻¹ K⁻¹；e）使用甘油-LINC在20次组装和拆卸前后的测试CPU在满载下的温度数据。稳定的热性能表明LINCs具有强大的可再加工性；f）热模型模拟了在不同功率密度下的界面温度差减少，当TIM热阻从4 mm² K W⁻¹降低到1 mm² K W⁻¹时，会发生约4 K的温度降低。源数据以源数据文件的形式提供。