中国粉体网讯 近日，工业和信息化部发布了2025年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知，其中在原子级制造揭榜挂帅任务榜单中涉及到了高导热石墨烯热界面材料，提出到2026年，实现高导热低热阻的石墨烯热界面材料规模生产，垂直导热系数大于300W/m·K，热阻小于0.05K·cm2/W，压缩残余应力小于30PSI（50%压缩量），回弹率大于50%，系列产品在不少于10000个高功率器件上示范应用。
石墨烯热界面材料为何受到如此重视？
随着现代电子产品向微型化、高度集成化、高性能化以及多功能化的飞速发展，如何有效地消除由高功率集成电路产生的多余热量，已经成为微电子领域的重要挑战。
目前工业界普遍认为有效的热设计不仅在于设计架构，更多的是依赖散热材料本身的导热性能，主要包括芯片材料，各种电路板及基板材料，热沉材料，尤其是将这些相互连接的热界面材料更是成为了整个热设计系统的关键。
不同接触形式下发热元件与散热器间接触与热流传输示意图
热界面材料通常选用弹性高分子聚合物为基底的复合材料，通过添加不同种类的导热填料来提高复合材料热导率，因此，热界面材料的导热性能很大程度上是由导热填料决定的。
石墨烯的导热潜能
石墨稀于2004年由英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov通过机械剥离法首次发现。它是一种典型的二维材料，单层的石墨烯厚度仅为0.35nm。石墨烯具有复式六角晶格结构，其中每个碳原子与邻近的三个原子形成三个S键，剩余的一个孤电子垂直于石墨烯所在平面，与周围原子形成π键。以sp2杂化形成的共价键键长为1.42Å，键角为120°，因此石墨烯内部碳原子之间通过S键连接形成正六边形的层状蜂窝式的点阵结构。正是由于石墨烯这种特殊的晶体结构与电子分布方式，使它具有了十分出色的机械性能、极高的载流子迁移率、优异的导热性能以及透光率。
常见高分子与导热填料热导率
导热性能方面，采用非接触共焦拉曼测试的单层悬空石墨烯的热导率高达5，300 W/m·K，明显高于金刚石和单壁碳纳米管。对于含缺陷和官能团的石墨烯粉体而言，随着制备方法的不同，其导热系数也会略有差别，导热率的分布范围为800-3，500W/m·K，但也远高于铜、铝等金属以及氮化铝、碳化硅等陶瓷材料。因此石墨烯在导热界面材料领域具有极大的潜力。
选用石墨烯有讲究
尽管石墨烯在较低含量下能显著提高聚合物材料的导热性能，但聚合物/石墨烯热界面材料的导热性能也受石墨烯本征特性的影响。
石墨烯厚度、尺寸的影响
随石墨烯层数增加，声子散射产生横向分量，其本征热导率的降低会影响聚合物热界面材料的导热性能。此外，选择大尺寸的石墨烯能减少体系界面数量，进而减少声子散射和界面热阻，提高热导率。
但石墨烯片层越薄，越易在聚合物基体中折叠、扭曲形成褶皱，这些变形会成为声子散射点削弱复合材料的导热性能。由于石墨烯本身的疏水及静电特性，片径过大的石墨烯在基体中极易团聚，这会抑制石墨烯的本征热学特性。
石墨烯缺陷的影响
结构完整的石墨烯具有非常高的热导率，一般在3000~5000W/(m·K)，但在制备石墨烯过程中难免产生缺陷，缺陷的种类、含量等都会影响复合材料的导热性能，有些结构缺陷会成为热流散射的中心，削弱石墨烯的热耗散能力。
石墨烯含量的影响
石墨烯含量是决定聚合物热界面材料热导率的重要因素。石墨烯含量较低时，热量不能从一个粒子转移到相邻粒子上，界面热阻高;随石墨烯含量增加，石墨烯片层之间密切接触，形成的有效热传输通道越多，复合材料的热导率越大。
虽然增加石墨烯含量能显著提高聚合物热界面材料的热导率，但石墨烯含量很高时，复合材料的绝缘性能、机械加工性能、光学性能等都会受到较大影响；同时高填充量下，石墨烯在聚合物中易团聚，也会导致复合材料的表面不平整、柔韧性差、质量大等。因此，要针对不同聚合物选择最佳的石墨烯填充比。
如何提高聚合物/石墨烯热界面材料导热性能？
石墨烯取向
石墨烯取向是实现低含量下聚合物热界面材料快速传热的有效途径。外力作用下，石墨烯沿特定方向有序排列，可提供更高效的传热路径，充分发挥其面内热导率极高的优势，减少沿特定方向的渗流阈值。常见的诱导石墨烯取向的方法包括机械力诱导法、电场诱导法、磁场诱导法等。
填料混合填充
添加不同尺寸、不同种类的导热填料以协同发挥各种填料的作用，是目前制备高导热聚合物热界面材料广泛应用的方法。然而，碳系填料和金属粒子均具有突出的导电性，所得热界面材料的电导率也较高，在电子封装领域还要求热界面材料具有绝缘性和高温稳定性。将无机填料与石墨烯复合，可使材料导热性能增强的同时保持良好的绝缘性和耐老化性。
3D导热网络的构建
3D石墨烯网络比石墨烯片具有更好的声子、电子、离子转移能力，同时具有大比表面积、低密度和优异的综合性能。常见的构建3D网络结构的方法有自组装法、模板法、冷冻干燥法、3D打印法等。
双逾渗结构设计
双逾渗结构是以聚合物合金为基体，利用聚合物相容性(包括界面能、熔体黏度)差异而产生相分离，填料选择性分布在其中一相聚合物中或分布在两相界面处以增大其在材料中的有效浓度，在单相聚合物中达到渗流阈值，并通过一个连续相聚合物渗透，构建完善的导热链，从而在整个聚合物合金中形成连续的导热通路。双逾渗结构表现出优于单相聚合物复合材料的优势，在填料含量极低条件下能改善复合材料的导热性能。
参考来源：
[1]郭华超等.高导热聚合物/石墨烯热界面材料研究进展
[2]代文.石墨烯三维宏观体的设计与调控及其在热界面材料领域的应用研究
[3]王沙沙.石墨烯网络结构有序化调控及其复合材料热界面特性研究
（中国粉体网/山川）
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