來源：Advanced Functional Materials

鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508737

01 背景介紹

隨著微電子設備朝著小型化、集成化和高功率密度發展，其產生的熱量越來越多，過熱問題不僅影響設備性能和壽命，甚至可能引發火災，因此高效的熱管理材料成為剛需。對于電子設備而言，良好的導熱性能夠迅速將芯片等發熱部件產生的熱量傳導出去，避免熱量積聚；而電絕緣性則是保障設備使用安全的重要前提，防止電流泄漏引發短路等故障。以往的材料往往在提升導熱性時，電絕緣性能就會大打折扣，反之亦然，這一矛盾嚴重制約了微電子設備熱管理技術的發展。

02 成果掠影

近日，西安交通大學宋建偉聯合南方科技大學李一舉利用ANF剝離和分散EG，制備了具有高導熱性和電絕緣性的可擴展芳綸納米纖維 / 膨脹石墨（ANF/EG）混合膜。在制備過程中，團隊采用了 ANF 輔助剝離和分散 EG 的獨特策略。在超聲處理的作用下，ANF 如同一個個 “小助手”，將 EG 成功剝離，并通過強界面相互作用，即氫鍵和 π-π 相互作用，緊密地包裹在 EG 納米片表面，最終形成了一種有序的層狀結構。當 EG 含量達到 50 wt.% 時，這種混合膜展現出了驚人的性能。其面內導熱系數高達 40.59 W/mK，相比傳統聚合物基復合材料有了顯著提升，能夠高效地將熱量傳導出去。同時，令人驚喜的是，它的體積電阻率仍保持在 4.70×10? Ω?cm，具備優異的電絕緣性，有效避免了漏電風險。在實際的微電子設備冷卻實驗中，ANF/EG 混合膜更是大展身手，能夠將 CPU 溫度降低 23℃，其出色的散熱性能遠超商用硅脂，為解決微電子設備過熱問題提供了切實可行的方案。研究成果以“A Thermal Management Hybrid Membrane with Both High Thermal Conductivity and Electrical Insulation”為題發表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03 圖文導讀

圖1. a）ANF、EG和ANF/EG雜化膜的制備工藝示意圖以及ANF/EG雜化膜具有高導熱性和電絕緣性的機理。B）ANF/EG雜化膜在微電子器件和電子封裝中的潛在應用。c）顯示ANF/EG雜化膜、硅膠墊、PA基塑料、PEG@TPU/BNNS和NFC/CNT。

圖2.a）ANF的TEM圖像。B，c）通過熱沖擊獲得的膨脹石墨的SEM圖像。d）ANF/EG雜化膜的TEM圖像。e，f）ANF/EG雜化膜的橫截面SEM圖像。g）ANF/EG膜在各種形式的彎曲，折疊，h）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的拉伸強度i）ANF/EG雜化膜在水中浸泡30天后，在100 ℃下處理，j）ANF/EG雜化膜在100 °C、液氮、1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH中處理24 h之前和之后的光學圖像。ANF/EG雜化膜的C1 s k）和N1s l）XPS光譜。

圖3.a）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的體積電阻率（紅線表示電絕緣的標準（109 Ω·cm））. B）ANF/EG膜的電絕緣的示意圖. c）ANF/EG雜化膜的尺寸變化和熱膨脹系數（50 wt.%）在不同溫度下的熱擴散率。d）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的面內熱擴散率。e）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的熱導率。f）ANF/EG雜化膜的高熱導率機理的示意圖。g）ANF/EG雜化膜與其它導熱和電絕緣材料的面內熱導率的比較。h）ANF/EG雜化膜與先前工作中報道的其它納米復合材料之間的極限強度和面內熱導率的比較。

圖4. a）熱管理性能測試設置的示意圖。將導熱膜置于熱源下，并通過紅外攝像機測試熱源的溫度。B）使用PI、ANF和ANF/EG作為加熱時間函數的熱源紅外熱圖像（50重量%）作為散熱基板。d）在加熱和冷卻過程中，具有不同熱管理材料的熱源的溫度演變。e）具有熱管理材料的CPU冷卻測試的數字照片。f）不同熱管理材料的CPU溫度隨運行時間的變化。

圖5. ANF膜a）和ANF/EG的照片B）ANF膜和ANF/EG的熱釋放速率曲線ANF膜和ANF/EG的TGA d）和DTG e）曲線大體積的可膨脹石墨f）和廢棄的Kevlar織物g）。h）大規模ANF/EG漿料的數字圖像（質量比1：1）。ANF在超聲的輔助下可以將膨脹石墨剝離并分散在水溶液中。i）大尺寸（700 mm × 200 mm）ANF/EG雜化膜。

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