中國粉體網訊 近日，清華大學丘陵副教授、中國科學院深圳先進技術研究院成會明院士和華南理工大學熊志遠教授提出了界面聲子橋策略，旨在降低二維材料TIM的接觸熱阻。相關工作以“Low thermal contact resistance boron nitride nanosheets composites enabled by interfacial arc-like phonon bridge”為題發表在《Nature Communications》上。
六方氮化硼納米片（BNNS）因其高熱導率及出色的介電性能，被認為是下一代高性能熱管理材料。然而，當其用作熱界面材料（TIM），高接觸熱阻嚴重限制其應用。目前具有高熱導率的垂直序化的二維材料被廣泛報道，但二維材料在復雜界面的熱傳導機制仍不明晰，限制其性能進一步提升。此外，高端TIM市場目前由國外企業壟斷。因此，二維材料在復雜界面處的熱傳輸機制理解、高性能二維材料TIM的設計及規模化制備，成為亟待解決的卡脖子問題。
在此背景下，丘陵研究團隊提出了界面聲子橋策略。該研究團隊利用BNNS與粘塑性聚合物混合，通過易量產的堆疊-切割工藝，制備具有弧形結構的導熱墊片。SEM結果顯示，BNNS-TIM體相中的BNNS呈現高度一致的垂直排列，而在切割表面附近，形成特殊的弧形結構。
BNNS- TIM的制備和微觀結構（圖源：Nature Communications）
熱阻是評價TIM在實際應用場景下散熱性能的重要指標。研究團隊發現70 wt.%含量的BNNS-TIM具有超低熱阻（0.059 in²W K-¹），性能遠高于目前報道的數值和商用高端導熱產品。此外，BNNS-TIM還具有高介電強度，適用于高電場環境下電子設備的散熱。文章用雷達圖展示了BNNS-TIM在熱、力和電學方面的綜合優勢，突顯了其廣闊的應用前景。
BNNS TIMs的熱性能（圖源：Nature Communications）
為了進一步理解70wt.%填量下BNNS-TIM出現的熱阻最優值，文章將熱阻進一步拆分成材料熱阻與接觸熱阻。發現隨著BNNS含量增加，總熱阻逐漸減小，但接觸熱阻逐漸增加，使得熱傳導瓶頸由材料主導轉向接觸主導。研究發現，具有類似硬度的70 wt.% 和80 wt.%填量的BNNS-TIM在熱阻值上顯示巨大差異，這是由于70 wt.%填量BNNS-TIM的獨特弧形結構能有效地在界面處傳輸聲子。分子動力學模擬結果表明，BNNS的接觸角度對界面熱傳輸有顯著影響。
界面聲子橋策略的有效性（圖源：Nature Communications）
該研究團隊聯合欣旺達、vivo等企業，展示了BNNS-TIM的巨大工業應用潛力，通過堆疊-切割工藝可以實現簡單高效規模化生產。與商業產品相比，BNNS-TIM在靜壓下能夠實現更好的降溫效果，使其能應用于快充電池散熱等高壓散熱情景。
參考來源：Nature Communications、清華大學深圳國際研究生院、高分子科學前沿
（中國粉體網編輯整理/梧桐）
注：圖片非商業用途，存在侵權請告知刪除！
