采用GPTMS和丁基化环氧树脂的类粘土结构相变材料复合材料，用于热缓冲和热界面性能优化

《Journal of Materials Research and Technology》：Phase Change Material Composites in a Clay-like Structure Featuring GPTMS and Butylated Epoxy for Heat Buffering and Thermal Interface Performance

高效热界面材料设计与性能优化，

　　这项研究聚焦于一种新型的热界面材料（TIM）的设计与开发，旨在解决当前基于相变材料（PCM）的TIM在实际应用中面临的三大主要挑战：相变过程中材料的泄漏、热传导路径的不连续性以及结构稳定性不足。通过引入一种创新的复合结构，研究团队成功构建了一种兼具高效热传导与显著热缓冲能力的材料体系，为下一代电子设备的热管理提供了新的解决方案。

现代电子设备的紧凑化趋势使得其在运行过程中产生的热量密度不断上升，尤其是在智能手机、可穿戴设备以及高性能计算芯片等应用场景中，局部过热已成为影响设备性能、寿命及用户体验的关键问题。传统的TIM通常只能实现基础的热传导功能，难以应对高强度热负载带来的突发温度波动。而相变材料因其在相变过程中能够吸收和释放潜热，具备良好的热缓冲能力，被认为是提升热管理性能的重要发展方向。然而，PCM在实际应用中常面临泄漏问题，特别是在经历多次相变循环后，材料的结构稳定性也容易受到影响。为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于纳米材料与相变材料协同作用的复合设计策略，通过化学修饰和结构优化，显著提升了TIM的综合性能。

在材料选择方面，研究采用了六方氮化硼（h-BN）作为热传导填料，其具有优异的导热性，但直接使用时容易与PCM之间产生界面不兼容的问题，导致热传导效率低下。为此，研究团队对h-BN进行了表面修饰处理，使用了3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）对其进行功能化改性。GPTMS能够通过水解反应在h-BN表面形成硅醇基团，并进一步与h-BN表面的羟基发生缩合反应，从而形成稳定的硅氧键。这一过程不仅增强了h-BN与相变材料——月桂酸（LA）之间的界面相容性，还促进了潜热的高效传递。LA作为一种具有明确相变温度（约43–46 °C）的相变材料，特别适用于需要在短时间内缓冲温度波动的电子设备，如智能手机、可穿戴设备和PC处理器等。其相变温度正好处于这些设备运行过程中可能达到的温度范围之内，因此在实际应用中具有显著的热管理优势。

为了防止PCM在相变过程中的泄漏，研究团队还引入了一种新型的环氧树脂基体——丁基化环氧树脂（BuEP）。BuEP不仅具有较高的热传导能力，还表现出良好的柔韧性，使其能够在保持机械性能的同时有效约束PCM的运动。此外，BuEP的化学结构使其能够与LA的羧基发生反应，形成酯键，从而进一步增强界面之间的结合力。这种化学键合不仅提高了材料的整体稳定性，还减少了由于界面空隙或填料聚集而导致的热阻问题。

在复合结构的构建过程中，研究团队首先将GPTMS修饰后的h-BN（gBN）与纤维素纳米纤维（CNF）结合，形成了一种定向排列的导热骨架。CNF作为分散剂和结构粘合剂，有助于保持gBN在复合体系中的均匀分布，并通过其自身的柔韧性改善了材料的整体机械性能。随后，将LA填充至该骨架中，形成具有热储存能力的结构。最后，将这一骨架嵌入到BuEP基体中，通过高温高压的热压工艺实现复合材料的固化和成型。整个过程确保了gBN骨架与BuEP基体之间的紧密接触，同时保持了材料的机械适应性，使其能够应对复杂的热界面结构。

从性能测试结果来看，该复合材料在多个关键指标上均表现出色。首先，其热导率达到了5.68 W/m·K，远高于传统PCM基TIM的热导率。这一高热导率主要得益于gBN的高效导热性能以及BuEP基体对热传导路径的优化。其次，该材料具有显著的潜热储存能力，达到了96.43 J/g，虽然略低于纯LA的潜热储存能力（208.24 J/g），但仍然远高于其他类型的PCM基TIM。这是因为LA在复合体系中的比例受到gBN骨架和BuEP基体的影响，导致其含量略有减少。然而，这种设计仍然能够提供足够的热缓冲能力，有效降低设备在高负载运行时的温度上升幅度。此外，该材料表现出良好的机械延展性，其拉伸性能的延展率约为69%，显示出较强的柔韧性，能够适应不同形状和尺寸的热源，减少界面热阻。最后，该材料还具有优异的电绝缘性能，体积电阻率超过了1011 Ω·cm，确保了其在电子设备中的安全使用。

在实际应用测试中，该复合材料在CPU热管理测试中表现出卓越的性能。测试分为三个阶段：空闲状态监测、全负荷运行测试以及冷却阶段。结果显示，gBN–BuEP复合材料在全负荷运行期间能够显著降低CPU核心温度，仅达到80.1 °C，远低于未使用TIM的92.4 °C，以及商业热膏（83.8 °C）、BuEP基体（89.8 °C）和BN–BuEP复合材料（82.7 °C）。这一温度控制能力直接反映在材料的热缓冲效果上，使得设备在运行过程中能够保持稳定的温度状态，从而延长其使用寿命并提升性能表现。此外，该材料在高负荷运行期间仍能维持较高的有效核心时钟频率，表明其不仅具备良好的热管理能力，还能支持设备在高负载条件下的高效运行。

从微观结构分析来看，该复合材料的界面优化策略是其性能提升的核心。通过GPTMS对h-BN的表面改性，研究团队成功构建了一种“桥梁”结构，使h-BN与LA之间形成了稳定的化学键合。这种键合不仅提高了材料的界面相容性，还促进了潜热的高效传递。同时，BuEP基体的引入进一步优化了材料的机械性能，使其在保持高热导率的同时，具备足够的柔韧性以适应不同的热界面条件。此外，研究还通过热重分析（TGA）验证了该复合材料在高温条件下的结构稳定性，结果显示其在100 °C以下能够保持良好的形态，而在110 °C以上则开始出现明显的质量损失，这表明该材料在特定温度范围内仍存在一定的局限性。因此，未来的研究方向可能包括使用更高熔点的PCM、开发更有效的封装策略以及进一步优化基体材料，以扩大其适用温度范围并提升热管理性能。

从整体来看，这项研究通过将GPTMS功能化的h-BN与BuEP基体结合，构建了一种具有优异热导率、热缓冲能力、机械延展性和电绝缘性能的复合TIM。这种材料不仅能够有效应对现代电子设备在高密度运行过程中产生的热问题，还为未来的热管理技术提供了新的思路。通过界面工程与结构优化的结合，研究团队成功克服了传统PCM基TIM在泄漏、热传导路径不连续和结构稳定性方面的不足，为电子设备的热管理应用开辟了新的可能性。该材料的高延展性使其能够适应复杂的热界面结构，而其良好的电绝缘性能则确保了在高密度电子系统中的安全性。这些特性使得gBN–BuEP复合材料在实际应用中具有广泛的前景，特别是在需要高热导率和良好热缓冲能力的电子设备中。

研究还通过一系列实验验证了该复合材料的长期热稳定性。在50次热循环测试后，其潜热储存能力仅减少了约5.6%，表明该材料具有良好的循环可靠性。这一结果对于电子设备的长期运行尤为重要，因为频繁的热循环可能导致材料性能的衰减。此外，该材料的热导率和潜热储存能力均保持稳定，说明其在实际使用过程中能够持续提供高效的热管理性能。这些性能的稳定性不仅提高了材料的可靠性，也为其在工业和消费电子领域的应用提供了坚实的理论基础。

综上所述，这项研究提出了一种创新的TIM设计策略，通过化学修饰和结构优化，成功解决了PCM基TIM在实际应用中的关键问题。gBN–BuEP复合材料的开发为电子设备的热管理提供了一种兼具高效热传导与显著热缓冲能力的新材料。其高热导率、良好机械性能和优异电绝缘特性，使其能够满足下一代电子系统对热管理材料的多方面需求。同时，研究还指出该材料在特定温度范围内的局限性，并为未来的优化方向提供了明确的建议。这种结合化学修饰与结构设计的方法，不仅拓展了PCM基TIM的应用边界，也为其他类型的热管理材料提供了新的研究思路。