隨著電子設(shè)備向小型化、高功率化發(fā)展，熱管理問題愈發(fā)關(guān)鍵。高分子復(fù)合材料因輕質(zhì)、易加工等優(yōu)勢(shì)常用于熱管理，但固有低導(dǎo)熱性限制其應(yīng)用。添加導(dǎo)熱填料雖能提升導(dǎo)熱系數(shù)，卻面臨界面熱阻大、力學(xué)性能惡化等難題。聚（離子液體）（PIL）兼具離子液體特性與聚合物加工優(yōu)勢(shì)，液態(tài)金屬（LM）、金剛石也因獨(dú)特性能受關(guān)注，不過材料有效復(fù)合及協(xié)同作用發(fā)揮存在挑戰(zhàn)。

       近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院么依民副研究員在高導(dǎo)熱、高柔韌性及高可靠性的熱界面復(fù)合材料取得新進(jìn)展。研究成果以“Synergistic Liquid Metal-Diamond-Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。

       本研究提出了一種導(dǎo)熱復(fù)合材料，該材料結(jié)合了聚（離子液體）（PIL）、聚（1-辛基-3-乙烯基咪唑）雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺 （P[OVIm]NTf 2）、液態(tài)金屬 （LM） 和金剛石作為雙重填料，總計(jì) 85 vol% 負(fù)載。該復(fù)合材料在鋼基材上實(shí)現(xiàn)了 14.2 W(mK)的導(dǎo)熱系數(shù)、74% 的拉伸伸長(zhǎng)率和 0.99 MPa 的界面粘合強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化和界面工程有助于其卓越的機(jī)械柔韌性和可加工性，動(dòng)態(tài)流變分析證實(shí)了這一點(diǎn)。

       在芯片封裝測(cè)試中，該復(fù)合材料通過降低界面熱阻來提高散熱效率。金剛石摻入可防止 LM 氧化，在老化測(cè)試（-55至125 oC，300 次循環(huán);150 oC，1000小時(shí)）后保持 99% 的表面覆蓋率，并將性能下降降至最低。鍍鉻金剛石進(jìn)一步提高了高濕度和高溫下的可靠性。這種三元系統(tǒng)解決了高填料含量和熱界面材料柔韌性之間的權(quán)衡。界面增強(qiáng)和協(xié)同穩(wěn)定機(jī)制平衡了導(dǎo)熱性與長(zhǎng)期可靠性。這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了聚離子液體在熱管理中的應(yīng)用，為大功率電子產(chǎn)品提供了耐用的解決方案，尤其是在極端條件下。該研究建立了一個(gè)框架，用于設(shè)計(jì)具有優(yōu)化性能和穩(wěn)定性的高級(jí)TIM。

       圖文導(dǎo)讀

圖1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf?的化學(xué)式，(b) X射線光電子能譜（XPS）分析，(c) 展示柔韌性、拉伸性能和黏度的實(shí)物圖，(d) 金剛石微粉的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，(e) 鍍鉻金剛石微粉的掃描電子顯微鏡圖像，以及(f) 鍍鉻金剛石的能量色散X射線光譜（EDS）元素分布圖。

圖2. 復(fù)合材料表征：(a) P[OVIm]NTf?/液態(tài)金屬-金剛石黏彈性體的制備過程，(b) 液態(tài)金屬與鍍鉻金剛石之間的界面相互作用機(jī)制，(c) 宏觀柔韌性展示，(d) 復(fù)合材料的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，(e) 液態(tài)金屬橋接金剛石顆粒的示意圖，以及(f) 鎵（Ga）分布的能量色散X射線光譜（EDS）圖譜。

圖3. 力學(xué)性能表征：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）/金剛石含量下的應(yīng)力-應(yīng)變行為，(b) 彈性模量與液態(tài)金屬含量的關(guān)系，(c) 韌性評(píng)估，(d) 與剛性顆粒復(fù)合材料的拉伸性能對(duì)比，(e) 拉伸性能基準(zhǔn)測(cè)試，(f) 不同液態(tài)金屬/金剛石配比樣品的界面粘合強(qiáng)度分析，以及(g) 粘合性能的實(shí)物展示。

圖4. 流變性能表征：(a - c) 不同液態(tài)金屬/金剛石比例（1:1、1:2、1:3）下儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）隨溫度的變化，(d - f) 相應(yīng)比例下黏度隨溫度的變化曲線。

圖5. 熱性能評(píng)估：(a) 導(dǎo)熱系數(shù)隨液態(tài)金屬/金剛石填料負(fù)載量的變化，(b) 與聚合物基熱復(fù)合材料的性能對(duì)比，(c) 散熱測(cè)試示意圖，(d) 溫度變化對(duì)比（與P[OVIm]NTf?材料及無熱界面材料情況相比），(e) 1500次熱循環(huán)（加熱 - 冷卻循環(huán)）下的穩(wěn)定性。

圖6. 熱穩(wěn)定性和耐老化性能評(píng)估：(a) 不同液態(tài)金屬（LM）和金剛石含量的P[OVIm]NTf?/LM-金剛石黏彈性體在空氣氣氛下的熱重分析（TGA）曲線；(b) 不同液態(tài)金屬和金剛石含量的P[OVIm]NTf?/LM-金剛石黏彈性體的差示掃描量熱法（DSC）熱譜圖；(c) 夾層樣品照片；(d) 冷熱沖擊老化測(cè)試過程中樣品覆蓋率的變化；(e) 高溫存儲(chǔ)老化測(cè)試過程中樣品覆蓋率的變化；(f) 高溫高濕老化測(cè)試過程中樣品膨脹率的變化。

圖7. 環(huán)境可靠性評(píng)估：高加速應(yīng)力潮態(tài)測(cè)試（HAST）覆蓋率保持率（相對(duì)濕度85%，130°C，96小時(shí)）；冷熱沖擊測(cè)試（CHS，-55至125°C，300次循環(huán)）；高溫存儲(chǔ)測(cè)試（HTS，150°C，1000小時(shí)）下的尺寸穩(wěn)定性 。