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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(jìn)的熱界面材料來(lái)更有效地解決運(yùn)行中的熱管理問(wèn)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(dǎo)熱性的填料增強(qiáng)的聚合物納米復(fù)合材料由于其優(yōu)異的機(jī)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(fù)載情況下保持復(fù)合材料柔性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)主要原因是填料顆粒之間的界面熱阻嚴(yán)重阻礙了納米復(fù)合材料導(dǎo)熱率的進(jìn)一步提高。本研究提出結(jié)構(gòu)焊接策略來(lái)提升納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加模擬研究復(fù)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(dǎo)熱填料，通過(guò)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(fù)合后，系統(tǒng)地研究GS與CNT界面焊接后對(duì)CNT納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。同時(shí)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)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(jìn)行了探究。

  近日，天津大學(xué)封偉教授領(lǐng)導(dǎo)的FOCC團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港中文大學(xué)（深圳）鄭慶彬教授和香港理工大學(xué)沈曦教授通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)探究了微觀焊接結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響機(jī)理。通過(guò)對(duì)三維碳管網(wǎng)絡(luò)的連接界面進(jìn)行橋連焊接，并對(duì)其焊接程度進(jìn)行調(diào)控，構(gòu)建出了一系列不同焊接程度的雜化三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)（GS-w-CNT）。實(shí)驗(yàn)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(lái)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(qiáng)該結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。同時(shí)，通過(guò)封裝柔彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）獲得了GS-w-CNT/PDMS高導(dǎo)熱復(fù)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(fù)載量下表現(xiàn)出5.58 W m^-1 K^-1 的熱導(dǎo)率，比原始CNT/PDMS高出4.1倍。另一點(diǎn)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(dǎo)熱效率從423%增加到523%.

圖7.不同GS含量對(duì)CNT面內(nèi)和面外聲子振動(dòng)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(xué)FOCC團(tuán)隊(duì)封偉教授、香港中文大學(xué)（深圳）鄭慶彬教授和香港理工大學(xué)沈曦教授為論文通訊作者。該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

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