武汉理工何大平教授团队《Cell Reports Physical Science》：制备高效散热的可变形表面垂直石墨烯热界面材料

随着芯片功率密度持续攀升，电子器件的“散热焦虑”越来越重。热量卡在热源和散热器之间，往往不是因为材料不够厚，而是因为界面接触热阻太大。武汉理工大学何大平教授团队提出了“银浆热缩+垂直石墨烯”的思路，做出一种表面会“变形贴合”的垂直石墨烯整体材料（VGM），实现：

面外热导率 738.6 W·m?1·K?1，比铜还高；
接触热阻低至 29.2 K·mm2·W?1；
实际散热效率比铜高 66.7%，比商用碳纤维垫高 143.9%。

这道“高导热+低界面热阻”同时拿下的题，被他们解开了。

文章亮点

超高纵向导热：垂直石墨烯实现 738.6 W·m?1·K?1 的面外热导率，超过绝大多数金属和传统碳基TIM。
可变形表面降热阻：银浆受热收缩后，石墨烯“软端”露出表面，像刷毛一样贴合粗糙界面，接触热阻降到 29.2 K·mm2·W?1。
实测温控更强：20 W 加热下，加热器温度仅 37℃，远低于铜的 54℃和碳纤维垫的 68℃。
循环稳定：1000 次冷热冲击后，散热性能不衰减。

引言：为什么热界面材料这么难做？

在热源和散热器之间，微观上是“粗糙对粗糙”，中间塞满空气。空气导热系数只有 0.026 W·m?1·K?1，几乎是隔热层。理想的热界面材料（TIM）要同时具备两件事：

高面外热导率：热量能快速“穿过去”；
低接触热阻：表面能贴得紧，把空气挤出去。

但现实很尴尬：

有机垫片：软、贴合好，但导热普遍 <10 W·m?1·K?1；
金属箔（铜、铟）：导热高，但太硬，贴不服粗糙面，接触热阻 >100 K·mm2·W?1；
普通垂直石墨烯：导热上去了，表面却刚、脆，界面还是热阻大。

所以核心矛盾是：导热高了就不软，软了导热又上不去。

分析与讨论

1. 可变形表面是怎么“长”出来的？

团队的做法很巧妙：先把石墨烯薄膜（GF）垂直折叠排布，再用银浆浸渍、热压成型，得到前驱体 p-VGM。然后在 160℃ 热处理 2 小时：银浆里的有机物气化、银纳米颗粒熔融重排，体积向内收缩。原本被银浆包住的一层石墨烯薄膜末端，被“退”了出来。表面从平整变“刷状”，出现大量柔软可弯折的石墨烯端头。

图1｜界面传热机理与VGM制备示意左：刚性表面TIM（p-VGM）在粗糙界面留下空气隙，热流受阻；右：可变形表面VGM的石墨烯软端受压贴合，空气被排出。下图展示制备流程：石墨烯膜折叠→真空浸银浆→热压→160℃收缩→露出软端。

这一步是关键机制创新：不是靠加柔性聚合物变软，而是让高导热石墨烯自己“长出”软表面。

2. 热导率：738.6 W·m?1·K?1，比金属还猛

垂直排列让热量沿着石墨烯高导热方向走“直通道”。

测试显示：

VGM 面外热导率：738.6 ± 0.35 W·m?1·K?1
对比铜：约 401 W·m?1·K?1
压缩模量仅约 100 MPa，远软于金属（GPa 级）

图2｜VGM热学与结构性能表征展示热扩散系数与面外热导率对比、与已报道石墨烯基TIM的性能横评、导热率-模量平衡关系，以及 25–190℃ 区间的热稳定与循环稳定性。VGM在高温下仍保持 529 W·m?1·K?1以上。

高温下导热会略降，这是石墨烯声子 Umklapp 散射导致的正常现象，但即便在 190℃ 仍远超常规TIM。

3. 界面热阻

用 ASTM D5470 稳态热流法测总热阻，再拆分本体热阻和接触热阻。

随着装配压力从 30 psi 提到 300 psi：

有效导热系数从 73.7 升到 139.1 W·m?1·K?1
接触热阻从 61.7 降到 29.2 K·mm2·W?1

机制很好理解：表面石墨烯软端在压力下“倒伏变形”，填满粗糙度，空气隙被挤出，真实接触面积变大。对比对象里，铟箔、未处理 p-VGM 都因为表面刚性太强，贴不进去微槽，热阻降不下来。

4. 实测散热性能

搭建模拟电子器件散热台：

加热器 20 W
TIM 尺寸 10×10×5 mm
装配压力 75 psi

结果稳态温度：

VGM：37℃
铜：54℃
商用碳纤维垫（CSF40）：68℃

等效散热系数：

VGM：1.00 W·cm?2·°C?1
铜：0.60
碳纤维垫：0.41

图3｜实际散热测试与仿真上：测试原理与装置；中：不同功率下加热器温度曲线；下：VGM、铜、CSF40 的温度场仿真对比，以及 1000 次冷热循环稳定性。VGM 明显温度更低、热场更均匀。

仿真反推有效导热：VGM 约 170 W·m?1·K?1，铜约 50.5，碳纤维垫约 25.4。界面接触热阻仿真值 VGM 仅 22.4 K·mm2·W?1。

结论

这项研究把“高导热”和“低接触热阻”这两个通常互相打架的指标，用一种很聪明的方式捏到了一起：

结构端：垂直石墨烯提供高速热通道；
界面端：银浆热缩露出软端，让材料会“自适应贴合”；
系统端：实测散热效率比铜高 66.7%，比先进商用垫高 143.9%。

VGM 不是简单“导热填料+聚合物”的老路线，而是从界面形变机制重新设计TIM表面。对高功率芯片、车规功率模块、光电器件散热，都有很直接的参考价值。

文章信息

论文标题：Deformable surface design of vertical graphene thermal interface materials for efficient heat dissipation
期刊：Cell Reports Physical Science（Cell Press，2024）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.10197

信息来源：热管理材料前沿

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