"三明治"结构相变材料中热传导隔离网络的构建及其在芯片热管理中的高效散热应用

本文推荐一种创新性三明治结构复合相变材料（CPCM），通过物理共混-压缩成型技术构建了具有隔离热传导路径的夹层体系：上下层为膨胀石墨（EG）薄膜实现快速面内热扩散（λ达9.82 W/(m·K)），中层为石墨烯纳米片（GnP）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装正二十八烷形成的隔离网络。该材料兼具高热导率（较纯相变材料提升39倍）、高熔融焓（189.3 J/g）和优异形状稳定性（30次热循环后焓值仅损失2.3%），在芯片热管理系统中使30-70℃温升时间延长239%，为电子器件热管理提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过物理共混与压缩成型相结合的新方法，在复合相变材料（CPCMs）中构建了具有隔离热传导路径的三明治结构。上层和底层采用膨胀石墨（EG）薄膜，中间层则是由石墨烯纳米片（GnP）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装的正二十八烷构成。EG薄膜卓越的面内热导率（λ）确保了热量快速扩散，从而降低过热风险；而GnP包裹的正二十八烷颗粒在成型过程中构建出隔离网络结构，形成高效热传导路径。此外，GnP与EG薄膜间的强界面结合降低了界面热阻，建立起连续无阻的热传导通道，大幅提升传热效率。

材料与方法

材料

膨胀石墨（EG，80目）购自青岛腾盛达碳素机械有限公司；乙醇（分析纯）来自广东光华科技股份有限公司；硅油A（9050-2A）和硅油B（9050-2B）购自安徽汉蝶电子材料有限公司；实验室自制正二十八烷（纯度≥99.5%）。

CPCMs制备

图1展示了材料制备流程：首先将4.00 g EG加入过量乙醇中超声分散，真空抽滤成膜；随后将GnP与熔融正二十八烷混合，加入PDMS预聚物搅拌包覆，最后通过热压成型构建三明治结构。

结论

本研究成功开发出具有隔离热传导路径的三明治结构CPCMs，其热导率高达9.82 W/(m·K)，熔融焓为189.3 J/g。加热20分钟后未观察到泄漏，30次热循环后焓值仅下降2.12%，展现出卓越的稳定性和可靠性。该材料在自制芯片热管理系统中将30-70℃温升时间延长239%，在智能温控系统、航天器热管理等领域具有广阔应用前景。