中國粉體網訊  近日，工業和信息化部發布了2025年未來產業創新任務揭榜掛帥工作的通知，其中在原子級制造揭榜掛帥任務榜單中涉及到了高導熱石墨烯熱界面材料，提出到2026年，實現高導熱低熱阻的石墨烯熱界面材料規模生產，垂直導熱系數大于300W/m·K，熱阻小于0.05K·cm2/W，壓縮殘余應力小于30PSI（50%壓縮量），回彈率大于50%，系列產品在不少于10000個高功率器件上示范應用。

石墨烯熱界面材料為何受到如此重視？

隨著現代電子產品向微型化、高度集成化、高性能化以及多功能化的飛速發展，如何有效地消除由高功率集成電路產生的多余熱量，已經成為微電子領域的重要挑戰。

目前工業界普遍認為有效的熱設計不僅在于設計架構，更多的是依賴散熱材料本身的導熱性能，主要包括芯片材料，各種電路板及基板材料，熱沉材料，尤其是將這些相互連接的熱界面材料更是成為了整個熱設計系統的關鍵。

不同接觸形式下發熱元件與散熱器間接觸與熱流傳輸示意圖

熱界面材料通常選用彈性高分子聚合物為基底的復合材料，通過添加不同種類的導熱填料來提高復合材料熱導率，因此，熱界面材料的導熱性能很大程度上是由導熱填料決定的。

石墨烯的導熱潛能

石墨稀于2004年由英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov通過機械剝離法首次發現。它是一種典型的二維材料，單層的石墨烯厚度僅為0.35nm。石墨烯具有復式六角晶格結構，其中每個碳原子與鄰近的三個原子形成三個S鍵，剩余的一個孤電子垂直于石墨烯所在平面，與周圍原子形成π鍵。以sp2雜化形成的共價鍵鍵長為1.42Å，鍵角為120°，因此石墨烯內部碳原子之間通過S鍵連接形成正六邊形的層狀蜂窩式的點陣結構。正是由于石墨烯這種特殊的晶體結構與電子分布方式，使它具有了十分出色的機械性能、極高的載流子遷移率、優異的導熱性能以及透光率。

常見高分子與導熱填料熱導率

導熱性能方面，采用非接觸共焦拉曼測試的單層懸空石墨烯的熱導率高達5，300 W/m·K，明顯高于金剛石和單壁碳納米管。對于含缺陷和官能團的石墨烯粉體而言，隨著制備方法的不同，其導熱系數也會略有差別，導熱率的分布范圍為800-3，500W/m·K，但也遠高于銅、鋁等金屬以及氮化鋁、碳化硅等陶瓷材料。因此石墨烯在導熱界面材料領域具有極大的潛力。

選用石墨烯有講究

盡管石墨烯在較低含量下能顯著提高聚合物材料的導熱性能，但聚合物/石墨烯熱界面材料的導熱性能也受石墨烯本征特性的影響。

石墨烯厚度、尺寸的影響

隨石墨烯層數增加，聲子散射產生橫向分量，其本征熱導率的降低會影響聚合物熱界面材料的導熱性能。此外，選擇大尺寸的石墨烯能減少體系界面數量，進而減少聲子散射和界面熱阻，提高熱導率。

但石墨烯片層越薄，越易在聚合物基體中折疊、扭曲形成褶皺，這些變形會成為聲子散射點削弱復合材料的導熱性能。由于石墨烯本身的疏水及靜電特性，片徑過大的石墨烯在基體中極易團聚，這會抑制石墨烯的本征熱學特性。

石墨烯缺陷的影響

結構完整的石墨烯具有非常高的熱導率，一般在3000~5000W/(m·K)，但在制備石墨烯過程中難免產生缺陷，缺陷的種類、含量等都會影響復合材料的導熱性能，有些結構缺陷會成為熱流散射的中心，削弱石墨烯的熱耗散能力。

石墨烯含量的影響

石墨烯含量是決定聚合物熱界面材料熱導率的重要因素。石墨烯含量較低時，熱量不能從一個粒子轉移到相鄰粒子上，界面熱阻高;隨石墨烯含量增加，石墨烯片層之間密切接觸，形成的有效熱傳輸通道越多，復合材料的熱導率越大。

雖然增加石墨烯含量能顯著提高聚合物熱界面材料的熱導率，但石墨烯含量很高時，復合材料的絕緣性能、機械加工性能、光學性能等都會受到較大影響；同時高填充量下，石墨烯在聚合物中易團聚，也會導致復合材料的表面不平整、柔韌性差、質量大等。因此，要針對不同聚合物選擇最佳的石墨烯填充比。

如何提高聚合物/石墨烯熱界面材料導熱性能？

石墨烯取向

石墨烯取向是實現低含量下聚合物熱界面材料快速傳熱的有效途徑。外力作用下，石墨烯沿特定方向有序排列，可提供更高效的傳熱路徑，充分發揮其面內熱導率極高的優勢，減少沿特定方向的滲流閾值。常見的誘導石墨烯取向的方法包括機械力誘導法、電場誘導法、磁場誘導法等。

填料混合填充

添加不同尺寸、不同種類的導熱填料以協同發揮各種填料的作用，是目前制備高導熱聚合物熱界面材料廣泛應用的方法。然而，碳系填料和金屬粒子均具有突出的導電性，所得熱界面材料的電導率也較高，在電子封裝領域還要求熱界面材料具有絕緣性和高溫穩定性。將無機填料與石墨烯復合，可使材料導熱性能增強的同時保持良好的絕緣性和耐老化性。

3D導熱網絡的構建

3D石墨烯網絡比石墨烯片具有更好的聲子、電子、離子轉移能力，同時具有大比表面積、低密度和優異的綜合性能。常見的構建3D網絡結構的方法有自組裝法、模板法、冷凍干燥法、3D打印法等。

雙逾滲結構設計

雙逾滲結構是以聚合物合金為基體，利用聚合物相容性(包括界面能、熔體黏度)差異而產生相分離，填料選擇性分布在其中一相聚合物中或分布在兩相界面處以增大其在材料中的有效濃度，在單相聚合物中達到滲流閾值，并通過一個連續相聚合物滲透，構建完善的導熱鏈，從而在整個聚合物合金中形成連續的導熱通路。雙逾滲結構表現出優于單相聚合物復合材料的優勢，在填料含量極低條件下能改善復合材料的導熱性能。

參考來源：

[1]郭華超等.高導熱聚合物/石墨烯熱界面材料研究進展

[2]代文.石墨烯三維宏觀體的設計與調控及其在熱界面材料領域的應用研究

[3]王沙沙.石墨烯網絡結構有序化調控及其復合材料熱界面特性研究

（中國粉體網/山川）

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