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Developing graphene oxide@In-Bi alloy composite via layer-by-layer strategy 

achieving efficient heat dissipation towards thermal interfacial applications

基于逐層策略構建的氧化石墨烯-銦鉍合金熱界面復合材料

作者信息：

Yifan Li ^a, Junhui Fan ^a, Changqing Liu ^b, Dahai Zhu ^a, Chen Jiang ^a, Wei Yu ^a

a School of Energy and Materials, Shanghai Polytechnic University, Shanghai, 201209, 

China

b School of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang, 

Hunan, 422001, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100010

文章介紹：

熱界面材料(TIMs)在電子和光電器件的散熱與熱管理中發揮著關鍵作用。隨著器件持續微型化和功率密度不斷提高，界面高效熱傳導對保障性能、可靠性和使用壽命變得至關重要。TIMs作為發熱部件與散熱器之間的橋梁，能有效引導熱量從關鍵區域轉移。

從材料學角度看，傳統TIMs主要分為固體型、膏狀型和液體型三類。固體TIMs通常具有高機械強度和穩定性，即使在高壓力下也能保持形狀，其抗流動和揮發性使其適用于高溫高功率場景，但存在界面熱阻大、對接觸壓力和表面平整度要求嚴格等缺點，主要包括金屬片(銅/鋁)、陶瓷片和導熱硅膠墊等。膏狀TIMs能有效填充微觀間隙，增大接觸面積從而提高傳熱效率，且易于涂覆組裝，但長期使用可能因液體成分揮發導致性能下降，常見有碳基和金屬基導熱膏。液體TIMs可填充更微小間隙，顯著提升接觸面積和傳熱效率，但存在揮發性問題，典型代表包括導熱硅油、導熱脂和液態金屬(鎵/銦)等。各類TIMs各具優勢，需根據具體散熱需求、預算和空間限制進行選擇。

近年來，兼具相變與導熱特性的相變熱界面材料(PCTIMs)成為電子器件散熱研究熱點。常溫下保持固態以確保機械強度，高溫時發生相變實現充分界面接觸，從而顯著提升傳熱效率。目前研究主要集中在三大類：Zhou等采用石蠟@SiO2納米膠囊與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合，建立了CPU散熱物理模型，揭示了膠囊熔點和焓值對芯片溫升的影響規律；Zhao等將短碳纖維垂直排布于硅橡膠/石蠟基體中，制備出熱導率7.00 W/(m·K)、相變過程熱阻降低54.4%的定型相變墊；他們還嘗試將低熔點合金(62.5Ga21.5In16Sn)與膨脹石墨復合，獲得熱導率26.94 W/(m·K)、熱阻低至0.42 K·cm2/W的相變墊，其強制對流冷卻效率較商業產品提升36.78%。這些研究代表了當前主流PCTIMs類型：微膠囊相變材料、納米復合膜和液態金屬基相變材料，但分別存在制備工藝復雜、熱導率偏低或易泄漏等問題，如何通過材料組分設計和界面工程協同優化熱導性、柔韌性和防漏性仍是研究重點和挑戰。

本研究采用逐層策略在氧化石墨烯(GO)薄膜表面均勻涂覆液態In-Bi合金，制備出導熱復合薄膜。表面張力驅使液態合金在GO表面形成穩定薄層：常溫下薄膜呈固態，合金涂層作為粘附層增強機械柔韌性；作為TIM使用時，In-Bi合金液化填充界面微隙，有效降低接觸熱阻。該復合材料制備工藝簡單，兼具優良柔韌性、高導熱性(測試值XX W/(m·K))和防泄漏特性，實際散熱測試表明其作為TIM具有卓越的散熱性能(較傳統材料提升XX%)，展現出廣闊的商業化應用前景。

中文摘要：

我們開發出一種兼具柔韌性、防泄漏特性和高效界面傳熱能力的氧化石墨烯（GO）@銦鉍合金復合材料。該材料采用逐層組裝策略制備，專為熱界面材料（TIMs）應用而設計。通過引入高導熱液態金屬，GO薄膜的面外導熱系數提升至1.35 W/(m·K)，同時將接觸熱阻降至0.47 °C·cm²/W。在高溫環境下，銦鉍合金發生相變填充粗糙界面間隙，促進界面潤濕從而提升傳熱效率。此外，基于表面張力效應，液態合金可均勻包覆GO表面，使復合薄膜具備優異機械性能并確保卓越的防滲漏特性。本研究為制備高導熱、低接觸熱阻的柔性液態合金復合材料提供了新思路，為熱界面材料的合成開辟了新視角。