【复材资讯】金刚石散热领域取得重要新成果
07-22 06:42
电子设备不断朝着小型化、高功率化发展，这对热管理提出了更高要求。高分子复合材料由于轻质且易于加工，常被应用于热管理领域。然而，其固有的低导热性难以满足高热流密度设备的需求。为了提升其导热系数，人们通常会添加导热填料，但这又带来了新的问题。一方面，填料与基体树脂间的界面热阻显著增加，导致热量传导效率大幅降低；另一方面，高比例填料的加入往往会使材料的力学性能变差，如冲击强度下降、韧性降低，进而影响器件的结构稳定性。
聚（离子液体）（PIL）、液态金属（LM ）、金刚石等新材料因其独特特性受到关注。但在实际应用中，这些材料面临着一些共性挑战。PIL 与基体的相容性不足，容易引发相分离；LM 与高分子界面的浸润性差，导致分散不均；金刚石成本高，且与树脂界面存在热匹配难题，这些都制约着材料间的有效复合以及协同散热效能的充分发挥。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院么依民团队提出了一种导热复合材料，该材料结合了聚（离子液体）（PIL）、聚（1 - 辛基 - 3 - 乙烯基咪唑）双（三氟甲磺酰基）酰亚胺 （P[OVIm]NTf₂）、液态金属 （LM） 和金刚石作为双重填料。这种复合材料在钢基材上实现了 14.2 W/mK 的导热系数、74% 的拉伸伸长率和 0.99 MPa 的界面粘合强度。通过结构优化和界面工程，它具备了卓越的机械柔韧性和可加工性，动态流变分析也证实了这一点。
在芯片封装测试中，该复合材料通过降低界面热阻来提高散热效率。金刚石的掺入可以防止 LM 氧化，在老化测试（-55 至 125℃，300 次循环；50℃，1000 小时）后，能保持 99% 的表面覆盖率，并将性能下降降至最低。镀铬金刚石进一步提高了材料在高湿度和高温环境下的可靠性。这种三元系统解决了高填料含量和热界面材料柔韧性之间的矛盾。界面增强和协同稳定机制平衡了导热性与长期可靠性。这些发现推动了聚离子液体在热管理中的应用，为大功率电子产品提供了耐用的解决方案，尤其适用于极端条件。
该研究建立了一个用于设计具有优化性能和稳定性的热界面材料的框架。研究成果以“Synergistic Liquid Metal - Diamond - Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。
图 1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf₂的化学式，(b) X 射线光电子能谱（XPS）分析，(c) 展示柔韧性、拉伸性能和黏度的实物图，(d) 金刚石微粉的扫描电子显微镜（SEM）图像，(e) 镀铬金刚石微粉的扫描电子显微镜图像，以及(f) 镀铬金刚石的能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分布图。
图 2. 复合材料表征：（a）P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石粘弹性体的制造工艺，（B）液态金属和铬涂层金刚石之间的界面相互作用机制，（c）宏观柔性演示，（d）复合材料的横截面 SEM，（e）液态金属桥接金刚石颗粒的示意图，以及（f）Ga 分布的 EDS 图。
图 3. 力学性能表征：(a) 不同液态金属（LM）/金刚石含量下的应力 - 应变行为，(b) 弹性模量与液态金属含量的关系，(c) 韧性评估，(d) 与刚性颗粒复合材料的拉伸性能对比，(e) 拉伸性能基准测试，(f) 不同液态金属/金刚石配比样品的界面粘合强度分析，以及(g) 粘合性能的实物展示。
图 4. 流变性能表征：(a - c) 不同液态金属/金刚石比例（1:1、1:2、1:3）下储能模量（G′）和损耗模量（G″）随温度的变化，(d - f) 相应比例下黏度随温度的变化曲线。
图 5. 热性能评估：(a) 导热系数随液态金属/金刚石填料负载量的变化，(b) 与聚合物基热复合材料的性能对比，(c) 散热测试示意图，(d) 温度变化对比（与 P[OVIm]NTf₂材料及无热界面材料情况相比），(e) 1500 次热循环（加热 - 冷却循环）下的稳定性。
图 6. 热稳定性和耐老化性能评估：(a) 不同液态金属（LM）和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体在空气气氛下的热重分析（TGA）曲线；(b) 不同液态金属和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体的差示扫描量热法（DSC）热谱图；(c) 夹层样品照片；(d) 冷热冲击老化测试过程中样品覆盖率的变化；(e) 高温存储老化测试过程中样品覆盖率的变化；(f) 高温高湿老化测试过程中样品膨胀率的变化。
图 6. 热稳定性和耐老化性能评估：(a) 不同液态金属（LM）和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体在空气气氛下的热重分析（TGA）曲线；(b) 不同液态金属和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体的差示扫描量热法（DSC）热谱图；(c) 夹层样品照片；(d) 冷热冲击老化测试过程中样品覆盖率的变化；(e) 高温存储老化测试过程中样品覆盖率的变化；(f) 高温高湿老化测试过程中样品膨胀率的变化。
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原标题：《【复材资讯】金刚石散热，又有重要新成果》
聚（离子液体）（PIL）、液态金属（LM ）、金刚石等新材料因其独特特性受到关注。但在实际应用中，这些材料面临着一些共性挑战。PIL 与基体的相容性不足，容易引发相分离；LM 与高分子界面的浸润性差，导致分散不均；金刚石成本高，且与树脂界面存在热匹配难题，这些都制约着材料间的有效复合以及协同散热效能的充分发挥。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院么依民团队提出了一种导热复合材料，该材料结合了聚（离子液体）（PIL）、聚（1 - 辛基 - 3 - 乙烯基咪唑）双（三氟甲磺酰基）酰亚胺 （P[OVIm]NTf₂）、液态金属 （LM） 和金刚石作为双重填料。这种复合材料在钢基材上实现了 14.2 W/mK 的导热系数、74% 的拉伸伸长率和 0.99 MPa 的界面粘合强度。通过结构优化和界面工程，它具备了卓越的机械柔韧性和可加工性，动态流变分析也证实了这一点。
在芯片封装测试中，该复合材料通过降低界面热阻来提高散热效率。金刚石的掺入可以防止 LM 氧化，在老化测试（-55 至 125℃，300 次循环；50℃，1000 小时）后，能保持 99% 的表面覆盖率，并将性能下降降至最低。镀铬金刚石进一步提高了材料在高湿度和高温环境下的可靠性。这种三元系统解决了高填料含量和热界面材料柔韧性之间的矛盾。界面增强和协同稳定机制平衡了导热性与长期可靠性。这些发现推动了聚离子液体在热管理中的应用，为大功率电子产品提供了耐用的解决方案，尤其适用于极端条件。
该研究建立了一个用于设计具有优化性能和稳定性的热界面材料的框架。研究成果以“Synergistic Liquid Metal - Diamond - Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。
图 1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf₂的化学式，(b) X 射线光电子能谱（XPS）分析，(c) 展示柔韧性、拉伸性能和黏度的实物图，(d) 金刚石微粉的扫描电子显微镜（SEM）图像，(e) 镀铬金刚石微粉的扫描电子显微镜图像，以及(f) 镀铬金刚石的能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分布图。
图 2. 复合材料表征：（a）P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石粘弹性体的制造工艺，（B）液态金属和铬涂层金刚石之间的界面相互作用机制，（c）宏观柔性演示，（d）复合材料的横截面 SEM，（e）液态金属桥接金刚石颗粒的示意图，以及（f）Ga 分布的 EDS 图。
图 3. 力学性能表征：(a) 不同液态金属（LM）/金刚石含量下的应力 - 应变行为，(b) 弹性模量与液态金属含量的关系，(c) 韧性评估，(d) 与刚性颗粒复合材料的拉伸性能对比，(e) 拉伸性能基准测试，(f) 不同液态金属/金刚石配比样品的界面粘合强度分析，以及(g) 粘合性能的实物展示。
图 4. 流变性能表征：(a - c) 不同液态金属/金刚石比例（1:1、1:2、1:3）下储能模量（G′）和损耗模量（G″）随温度的变化，(d - f) 相应比例下黏度随温度的变化曲线。
图 5. 热性能评估：(a) 导热系数随液态金属/金刚石填料负载量的变化，(b) 与聚合物基热复合材料的性能对比，(c) 散热测试示意图，(d) 温度变化对比（与 P[OVIm]NTf₂材料及无热界面材料情况相比），(e) 1500 次热循环（加热 - 冷却循环）下的稳定性。
图 6. 热稳定性和耐老化性能评估：(a) 不同液态金属（LM）和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体在空气气氛下的热重分析（TGA）曲线；(b) 不同液态金属和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体的差示扫描量热法（DSC）热谱图；(c) 夹层样品照片；(d) 冷热冲击老化测试过程中样品覆盖率的变化；(e) 高温存储老化测试过程中样品覆盖率的变化；(f) 高温高湿老化测试过程中样品膨胀率的变化。
图 6. 热稳定性和耐老化性能评估：(a) 不同液态金属（LM）和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体在空气气氛下的热重分析（TGA）曲线；(b) 不同液态金属和金刚石含量的 P[OVIm]NTf₂/LM - 金刚石黏弹性体的差示扫描量热法（DSC）热谱图；(c) 夹层样品照片；(d) 冷热冲击老化测试过程中样品覆盖率的变化；(e) 高温存储老化测试过程中样品覆盖率的变化；(f) 高温高湿老化测试过程中样品膨胀率的变化。
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原标题：《【复材资讯】金刚石散热，又有重要新成果》
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