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  隨著微電子器件的高度集成和小型化，迫切需要先進的熱界面材料來更有效地解決運行中的熱管理問題。聚合物基材料因其優(yōu)異的柔韌性、輕質(zhì)、優(yōu)異的加工性能和低成本而在高功率微電子器件的熱管理領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。具有高導熱性的填料增強的聚合物納米復合材料由于其優(yōu)異的機械適應(yīng)性、突出的加工性能和優(yōu)異的柔韌性，在下一代電子器件的熱管理方面顯示出廣闊的前景。然而在低負載情況下保持復合材料柔性的同時實現(xiàn)高導熱率仍然是一個挑戰(zhàn)，一個主要原因是填料顆粒之間的界面熱阻嚴重阻礙了納米復合材料導熱率的進一步提高。本研究提出結(jié)構(gòu)焊接策略來提升納米復合材料的熱導率，通過實驗加模擬研究復合材料內(nèi)部微觀界面的熱傳輸行為。以碳納米管（CNT）網(wǎng)絡(luò)作為導熱填料，通過碳源浸漬和熱退火策略構(gòu)建了由不同石墨結(jié)構(gòu)（GS）焊接的CNT網(wǎng)絡(luò)（GS-w-CNT）。將其與聚二甲基硅氧烷納復合后，系統(tǒng)地研究GS與CNT界面焊接后對CNT納米復合材料熱導率的影響。同時進行分子動力學模擬，對界面焊接的GS與CNT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的界面熱阻，界面結(jié)合能以及聲子耦合進行了探究。

  近日，天津大學封偉教授領(lǐng)導的FOCC團隊聯(lián)合香港中文大學（深圳）鄭慶彬教授和香港理工大學沈曦教授通過分子動力學模擬和實驗探究了微觀焊接結(jié)構(gòu)對復合材料熱導率的影響機理。通過對三維碳管網(wǎng)絡(luò)的連接界面進行橋連焊接，并對其焊接程度進行調(diào)控，構(gòu)建出了一系列不同焊接程度的雜化三維導熱網(wǎng)絡(luò)（GS-w-CNT）。實驗結(jié)果顯示，由沉積在碳管網(wǎng)絡(luò)的骨架上聚酰亞胺層高溫碳化后轉(zhuǎn)變來的高結(jié)晶性石墨結(jié)構(gòu)（GS），將不連續(xù)的CNT網(wǎng)絡(luò)橋接成了三維互相連接的GS-w-CNT結(jié)構(gòu)。并且隨著聚酰亞胺引入的量的增加，GS-w-CNT結(jié)構(gòu)的完整性得到了提高，顯著增強該結(jié)構(gòu)的機械性能。同時，通過封裝柔彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）獲得了GS-w-CNT/PDMS高導熱復合材料。GS-w-CNT網(wǎng)絡(luò)的嵌入使得PDMS基體在6.52 wt%的低填料負載量下表現(xiàn)出5.58 W m^-1 K^-1 的熱導率，比原始CNT/PDMS高出4.1倍。另一點值得注意的是隨著焊接的GS量的增加，GS-w-CNT網(wǎng)絡(luò)的完整性的提高使GS-w-CNT/PDMS導熱效率從423%增加到523%.

圖7.不同GS含量對CNT面內(nèi)和面外聲子振動功率譜的影響。

該工作近期以“Microstructural Welding Engineering of Carbon Nanotube/Polydimethylsiloxane Nanocomposites with Improved Interfacial Thermal Transport”為題發(fā)表在期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202311906)上，張飛副研究員和博士生孫雨鉉為文章共同第一作者，天津大學FOCC團隊封偉教授、香港中文大學（深圳）鄭慶彬教授和香港理工大學沈曦教授為論文通訊作者。該項研究受到國家自然科學基金重點項目的支持。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202311906