一種用于CPU散熱的“仿生”導(dǎo)熱復(fù)合材料
時(shí)間:2025-09-12
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隨著計(jì)算機(jī)中央處理單元（CPU）的發(fā)展，特別是在高功率操作環(huán)境中，對(duì)熱管理系統(tǒng)的需求也在增加。熱界面材料（TIM）不僅需要提供高導(dǎo)熱性和低界面熱阻，還需要提供堅(jiān)固的機(jī)械性能，以消除對(duì)額外緊固件的需求。此外，這些材料必須具有阻燃性、長期穩(wěn)定性和適應(yīng)性，以確保在下一代CPU的苛刻條件下具有可靠和高效的性能。長期以來，開發(fā)既阻燃又堅(jiān)固的聚合物熱導(dǎo)體一直是工業(yè)和學(xué)術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)。高導(dǎo)熱性使聚合物能夠有效地管理工作環(huán)境中的熱量。自熄特性確保了安全性，高機(jī)械質(zhì)量使聚合物能夠承受重大載荷。然而，由于各種作用機(jī)制和材料設(shè)計(jì)，迄今為止，制造具有高機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性的自熄聚合物復(fù)合材料已被證明極具挑戰(zhàn)性。為了在聚合物復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性，通常需要高負(fù)載的導(dǎo)熱顆粒，但這會(huì)嚴(yán)重降低材料的機(jī)械質(zhì)量、柔韌性和加工性能。此外，在生產(chǎn)導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)使用導(dǎo)熱顆粒作為填料會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)科學(xué)問題。例如，由于填料和聚合物基體之間不可避免地存在接觸和界面熱阻，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)往往低于理論預(yù)測(cè)。此外，填料分布的不連續(xù)性增加了界面的數(shù)量和面積，從而提高了接觸熱阻，填料和聚合物之間的弱界面力會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的聲子散射。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員探索了各種策略解決此類問題。
近日，同濟(jì)大學(xué)邱軍教授、中國藥科大學(xué)周湘副教授、南開大學(xué)Zhao Weiqiang團(tuán)隊(duì)針對(duì)高導(dǎo)熱性的聚合物往往受到機(jī)械強(qiáng)度不足、高生產(chǎn)成本、高界面熱阻和易燃性的挑戰(zhàn)取得最新進(jìn)展。受蒼耳“多刺種子-樹皮”3D結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，使用乙二胺亞甲基膦酸銅作為“多刺”，功能化氧化鋁微球作為“種子”填料，開發(fā)了澆注聚氨酯（PUC）復(fù)合材料。這種多刺結(jié)構(gòu)可以防止有機(jī)磷酸酯自聚合，賦予聚合物自熄性，同時(shí)通過將“種子”連接到基質(zhì)來增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。樹皮狀結(jié)構(gòu)使功能顆粒能夠有效地相互連接，優(yōu)化復(fù)合材料內(nèi)的協(xié)同作用。升高的表面降低了界面熱阻，從而提高了導(dǎo)熱性。由此產(chǎn)生的PUC復(fù)合材料表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，抗拉強(qiáng)度為15.9 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為2.51 W m?⊃1; K?⊃1;，為高功率CPU提供了有效的連續(xù)冷卻。這些復(fù)合材料具有低密度、廣泛的可用性和環(huán)境可持續(xù)性，使其成為符合全球發(fā)展戰(zhàn)略的可持續(xù)電子和新能源應(yīng)用的有前景的候選者。研究成果以“Cocklebur-Inspired Robust Non-flammable Polymer Thermo Conductor for CPU Cooling”為題發(fā)表在Small期刊。
