川大研究團隊在軟物質(zhì)導(dǎo)熱材料方面取得重要研究進展

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，熱管理已經(jīng)成為一個日益緊迫的挑戰(zhàn)，尤其是在數(shù)據(jù)中心、雷達、高能激光以及高性能計算等領(lǐng)域。隨著功率密度的增加，散熱需求迅速攀升，僅數(shù)據(jù)中心一項，每年就消耗約200太瓦時（TWh）的電能用于冷卻設(shè)備，防止其過熱。目前，強制空氣對流和微通道冷卻等技術(shù)雖在理論上能夠應(yīng)對當代電子設(shè)備的高熱流需求，但在實際應(yīng)用中，熱源與冷卻介質(zhì)（熱沉）之間的熱阻依然是一個巨大的障礙，限制了這些冷卻系統(tǒng)的有效性。為了減少這種熱阻，熱界面材料（TIMs）應(yīng)運而生，旨在不消耗額外能量的情況下提升散熱性能。然而，由于導(dǎo)熱性和觸變性之間的沖突，現(xiàn)有熱界面材料在實際應(yīng)用中的性能，特別是在熱界面尺寸超過平方厘米級的電子系統(tǒng)中，往往與理論預(yù)測相差兩個數(shù)量級以上（圖1）。這種理論與實際表現(xiàn)之間的巨大差距，給大規(guī)模高功率電子設(shè)備的熱管理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

圖1. 功率設(shè)備熱管理中三大關(guān)鍵組件：熱源、熱界面材料和熱沉的示意圖及相應(yīng)發(fā)展現(xiàn)狀

近日，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院傅強教授/吳凱副研究員團隊聯(lián)合美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，開發(fā)出了一種新型熱界面材料——膠體狀液態(tài)金屬，以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。他們通過機械化學(xué)的方法制備了一種液態(tài)金屬/氮化鋁膠體，該材料表現(xiàn)出卓越的導(dǎo)熱性能和觸變性，顯著降低了固-固界面的熱阻，縮小了現(xiàn)有TIMs與理論之間的差距。經(jīng)測試，這種膠體的熱阻僅為0.42-0.86 mm2 K/W，遠超當前領(lǐng)先的導(dǎo)熱材料的性能。在結(jié)合微通道冷卻系統(tǒng)的測試中，這種膠體能夠從16平方厘米的熱源中提取2760瓦的熱量，同等條件下相比最先進的硅脂可以減少65%的泵電力消耗，為千瓦級設(shè)備的可持續(xù)冷卻提供了新方案。

這一研究成果以“Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels”為題，發(fā)表在《Nature Nanotechnology》期刊上。學(xué)院吳凱副研究員（德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校訪學(xué)者），博士生竇正力、鄧世博為共同第一作者，吳凱副研究員、傅強教授和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授為共同通訊作者。

膠體狀液態(tài)金屬的機械化學(xué)合成

通過機械化學(xué)方法，該膠態(tài)液態(tài)金屬將分散的氮化鋁顆粒嵌入到Galinstan液態(tài)金屬中。在不對稱機械力的作用下，液態(tài)金屬被迫滲透進氮化鋁的晶格，與氮化鋁中的氮原子形成有效的配位作用，從而建立起具有梯度擴散特性的液固界面（圖2）。這種梯度結(jié)構(gòu)不僅顯著促進了液態(tài)金屬與氮化鋁界面的熱傳導(dǎo)，同時，氮化鋁表面形成的穩(wěn)定液態(tài)金屬外層在材料受壓縮時起到了潤滑作用，減少了顆粒運動的摩擦阻力，確保了膠態(tài)液態(tài)金屬的優(yōu)異觸變性。電子能量損失譜（EELS）分析顯示，液態(tài)金屬中的金屬原子與氮化鋁中的氮原子形成了非共價鍵，進一步增強了界面結(jié)合強度，大幅提升了導(dǎo)熱性能。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，該梯度界面能夠顯著降低納米尺度的界面熱阻，最低可達6.79 × 10?⁹ m2 K/W。

圖2. 通過力化學(xué)過程合成膠體狀液態(tài)金屬的示意圖

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膠體異質(zhì)界面的調(diào)控與應(yīng)用

通過調(diào)整機械化學(xué)參數(shù)，如剪切力和處理時間，研究人員成功調(diào)控了液態(tài)金屬在氮化鋁中的擴散程度。研究表明，最佳處理時間為2分鐘，此時液態(tài)金屬的滲透深度為31.50納米，顯著提升了膠態(tài)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)（高達68.22 W/m·K）。結(jié)合不同狀態(tài)的氮化鋁與液態(tài)金屬，研究發(fā)現(xiàn)膏體狀態(tài)的膠體表現(xiàn)出最佳的熱阻性能，在導(dǎo)熱系數(shù)、鍵合線厚度（BLT）和界面接觸熱阻（Rc）之間實現(xiàn)了理想的平衡。

在實際應(yīng)用中，這種膠體在兩固體基板之間展現(xiàn)了極佳的貼合性，尤其是在壓力作用下，表現(xiàn)出極低的界面熱阻和超薄的鍵合線厚度。例如，在40 psi壓力下，膏狀液態(tài)金屬與銅板之間的界面熱阻僅為0.066 mm2 K/W，展示了其在高功率散熱應(yīng)用中的巨大潛力。

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總結(jié)

這項研究工作報道了一種新型膠體狀液態(tài)金屬材料，能夠在實際應(yīng)用中同時滿足高導(dǎo)熱性和優(yōu)異觸變性的要求。該材料依托其獨特的梯度結(jié)構(gòu)和突出的界面熱傳導(dǎo)性能，有望在電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心、航空航天、雷達檢測、高能激光及人工智能等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為高功率設(shè)備的可持續(xù)冷卻技術(shù)提供強大支持并推動其發(fā)展。