基于高导热石墨烯纤维的热界面材料

With the rapid increase of the linewidth, integration, packaging density and working frequency of the integrated circuit, the heat flux of chips is increasing rapidly. The field of chip cooling is facing an increasingly severe challenge. Thermal interface material (TIM) plays a key role in reducing the package thermal resistance and the thermal resistance between the electronic device and the external cooling components. This research project meet the demand of high performance thermal interface materials for heat management, which focus on the electrostatic.spinning of high thermal conductivity of graphene fiber and its application in high performance thermal interface materials. Aiming at the key issues of the synergistic orientation effect between graphene and polymer chain in electrostatic spinning liquid and synergistic orientation effect between graphene fibers and polymer matrix in thermal interface material. Meanwhile, the heat transfer in the low dimensional carbon material and the interface be systematically studied. The advanced electrostatic spinning technology for high thermal conductivity graphene fiber and its synergistic orientation technology will be also developed.

随着电子芯片的线宽、集成度、封装密度以及工作频率的迅速提高，芯片热流密度迅速增加，芯片散热面临着越来越严峻的挑战。本项目面向高功率密度热管理的高性能热界面材料的研发需求，研究高导热石墨烯纤维的静电纺丝及其在高性能热界面材料中的应用，重点研究石墨烯与静电纺丝基液中高分子的协同取向以及石墨烯纤维在热界面材料中与聚合物基体的协同取向，研究热量在石墨烯等低维材料和界面中的传递规律，开发先进的石墨烯纤维纺丝和协同取向复合技术。

随着电子芯片的线宽、集成度、封装密度以及工作频率的迅速提高，芯片热流密度迅速增加，芯片散热面临着越来越严峻的挑战。.本项目面向高功率密度热管理的高性能热界面材料的研发需求，围绕高导热复合纤维设计与制备关键技术，从复合材料的聚合物基体着手，从理论上剖析了声子在有序和无序PVA聚合物分子链中的传输规律，开发了纺丝过程中聚合物分子链取向以及纤维取向的关键技术，同时研究了分子链取向以及纤维取向对聚合物单体传热性能的影响，最终通过分子链解缠绕、纤维收集装置的设计以及适当的机械热拉伸，获得的纯PVA聚合物纤维热导率高达9.6W/(m·K)，远高于PVA块体的热导率值，与理论计算的结果非常接近。开发了碳管/聚合物复合纤维纺丝过程中碳管的高度取向技术，设计了一种三级基元序构，从分子层级高分子链到纳米层级填料再到微米层级纤维对复合纤维进行逐级有序构筑，获得了具有协同取向的碳纳米管/聚合物复合纤维，在碳纳米管填充量为10％时，碳纳米管/聚合物复合材料的热导率可以提高至23.5W/(m·K)，比文献报导的结果要高一个量级。自行搭建了一套基于Angstrom方法的纤维热导率测试系统，相比常规的稳态法和3ω法，其好处在于测试精度不受热耗散的影响，而且对样品的电导率没有要求。为了使其能适用于微米纤维的测试，我们采用了带有微距镜头的高分辨红外相机作为温度传感器，微型热电模块给纤维加载正弦热波信号，并且精确调控冷却装置使温度基线保持一致，尽可能降低误差的产生，最终实现了对纤维热导率的精确测量，整套装置的系统不确定度在10%以下。.该项目的科学意义在于为高性能热界面材料的设计提供了新的思路，实现了复合材料导热性能质的飞越。