复旦团队用液态金属给石墨烯装上"动态导热开关”

来源 | Composites Part A

链接 | https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.110236

背景

随着电子设备向小型化、高功率化持续演进，传统热界面材料（TIM）面临的"高导热与机械柔性难以兼得"矛盾愈发突出。以石墨烯为代表的二维填料虽具备出色的本征热导率，但其刚性的层状结构在受压、弯折等机械应力下极易发生界面脱粘与各向异性导热衰减，难以满足动态工况下的长期稳定散热需求。共晶镓铟（EGaIn）为代表的液态金属（LM）具有 26.4 W/m·K的高热导率、流动性和自修复能力，被视为兼顾导热与柔性的理想候选。然而，将液态金属直接引入聚合物基体时，其高表面张力与不互溶性易导致分散不均与泄漏，热循环下的长期可靠性仍是难题。如何在不损失导热的前提下，让TIM"软下来、并稳定下来"，是当前高功率电子热管理领域的核心痛点。

成果掠影

近日，复旦大学陈敏团队，受"破裂-聚合"机制的启发，将液态金属与垂直取向石墨烯骨架巧妙耦合，设计了一种具有可重构导热通路的石墨烯/液态金属复合薄膜（e-GN/LE），破解了热界面材料"高导热与机械柔性难以兼得"的难题。团队首先通过非溶剂致相分离（NIPS）与 2800 ℃ 高温石墨化耦合工艺，构筑出长程垂直取向的石墨烯骨架，再经激光刻蚀实现表面扩孔，得到孔径约 123.3 μm 的多孔石墨烯网络（e-GN）。随后，通过真空浸渍将液态金属/改性硅橡胶（LE）前驱体灌入骨架并固化，制备出石墨烯含量仅 5 wt% 的 e-GN/LE 复合薄膜。该材料实现了优异的综合性能：垂直热导率高达 23.58 W/m·K，水平热导率 16.1 W/m·K，热接触电阻低至 10.7 K·mm2/W，压缩模量仅 298.3 kPa。其核心创新在于"压力诱导的导热通路动态重构"——受压时，液态金属液滴表面氧化壳破裂、相邻液滴融合连通，同时部分液态金属被挤入受损石墨烯区域进行"修补"，从而动态重建被破坏的导热通路。在 1500 kPa 压力下仍可保留 92% 的初始热导率，经 10 次压缩循环后仍保持 88%；在 60°–150° 弯折角度下均能稳定散热。在 CPU 实机散热测试中（Intel i3-12100，TDP 54 W），e-GN/LE 使 CPU 满载核温较无 TIM 工况低 28 ℃，较商用导热垫低 13 ℃，且经反复装拆仍保持结构完整。该材料在高功率电子器件的稳定热界面散热、柔性电子以及光热-热电复合能源管理等领域展现出重要应用潜力。研究成果以"Reconfigurable thermal Pathways: Liquid Metal-Enhanced graphene Frameworks for Stable thermal management"为题，发表于《Composites Part A》期刊。

图文导读

图1、（a）e-GN/LE 复合薄膜的制备流程示意图；（b）石墨烯网络（GN）骨架顶部与截面的 XRD 图谱；（c）e-GN/LE 截面的 SEM 图像及（d）元素面分布图；（e）e-GN/LE 与其他制备方法所得薄膜的性能差异雷达图；（f）液态金属重构导热通路的示意图；（g）薄膜热导率随压力的变化曲线。

图2、（a）通过 NIPS 与高温石墨化制备导热石墨烯网络（GN骨架）的工艺流程；（b）GN 与 PAN-石墨烯的拉曼光谱；（c）GN 骨架表面孔径分布（比例尺：200 μm）；（d）不同石墨烯负载量下 e-GN/LE 薄膜的垂直与水平热导率；（e）不同方法所得样品的热接触电阻；（f）e-GN/LE 与已报道柔性导热薄膜的热导率与热接触电阻对比；（g）不同样品的压缩应力–应变曲线及（h）压缩模量；（i）e-GN/LE 弯折–恢复前后的实物照片。

图3、（a）未刻蚀石墨烯网络/PDMS（GN/PDMS）随压力增加的 XRD 演变（比例尺：10 μm）；（b）LE 与（c）e-GN/LE 中液态金属连通率随压力的演变（比例尺分别为 100 μm 和 40 μm）；（d）GN/PDMS、LE 和 e-GN/LE 在压缩下的内部结构变化示意图。

图4、（a）GN/PDMS、LE 与 e-GN/LE 在不同压力及（b）不同压缩次数下的垂直热导率；（c）三者热接触电阻（Rcontact）随压力的变化；（d）0 kPa 与（e）1500 kPa 压力下 e-GN/LE 的二维有限元分析模型；（f）系统反力随压力加载的时间演变；（g）不同压力下薄膜传热性能测试装置示意图；（h）薄膜表面温度及（i）Rtotal 在加压过程中的演变。

信息来源：Carbontech

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

点击下方链接，了解大会详情：

??官宣 | 关于召开2026中国国际石墨烯创新大会的通知

??重磅征稿｜2026 中国国际石墨烯创新大会论文征集通知

??全球招募进行中 | 2026中国国际石墨烯创新大会·启幕在即，与行业大咖共赴石墨烯产业盛宴！

??展商招募 | 2026中国国际石墨烯材料应用博览会

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