研究背景
隨著電子設(shè)備的不斷更新和高功率密度的增加，熱管理問題愈發(fā)引起關(guān)注。熱界面材料（TIMs）在提升熱導(dǎo)率和降低接觸熱阻方面起著至關(guān)重要的作用，以確保電子設(shè)備的高效散熱。然而，傳統(tǒng)TIMs面臨著多種挑戰(zhàn)，如熱導(dǎo)率不足、材料穩(wěn)定性差以及在高溫下的流動性受限，導(dǎo)致它們在實際應(yīng)用中的效果大打折扣。
為此，液態(tài)金屬（LM）因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能而成為研究的重點。液態(tài)金屬的獨特流動性和高熱導(dǎo)率使其在TIMs的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱性與其他材料（如氮化鋁）結(jié)合時，界面熱阻卻往往未能有效降低，限制了其性能的發(fā)揮。因此，如何優(yōu)化液態(tài)金屬與其他材料的界面接觸，提高界面熱傳遞效率，成為一個亟待解決的問題。
鑒于此，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、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授團(tuán)隊合作在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels”的最新論文。本研究旨在開發(fā)一種新型膠態(tài)液態(tài)金屬，通過優(yōu)化液態(tài)金屬與氮化鋁的組合，解決傳統(tǒng)TIMs在熱導(dǎo)率和接觸熱阻方面的不足。我們通過系統(tǒng)的材料設(shè)計與制備過程，制備出具有梯度結(jié)構(gòu)的膠態(tài)液態(tài)金屬，并對其進(jìn)行界面熱性能測試。結(jié)果表明，該材料不僅在不同厚度下展現(xiàn)出低的界面熱阻，同時在高溫條件下仍能保持良好的流動性，為熱管理領(lǐng)域提供了一種新的技術(shù)路徑。通過這些創(chuàng)新，研究為實現(xiàn)高性能電子設(shè)備的有效冷卻提供了重要的理論依據(jù)和實際應(yīng)用潛力。
研究亮點
1. 實驗首次制備了一種新型膠態(tài)液態(tài)金屬（LM），通過引入不同粒徑的氮化鋁（AlN）顆粒，優(yōu)化了材料的熱導(dǎo)率和觸變性。
2. 采用機械化學(xué)和直接攪拌的方法合成了LM/AlN復(fù)合材料，研究表明該材料在不同厚度下展現(xiàn)出顯著降低的界面熱阻，尤其在高溫條件下保持良好的流動性。
3. 通過TDTR和流變學(xué)測量，界面熱阻（Reff）表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)熱界面材料（TIMs），并且材料的屈服應(yīng)力和儲存模量隨著AlN顆粒濃度的增加而增強，顯示出良好的熱傳導(dǎo)性能。
4. 研究結(jié)果揭示，膠態(tài)液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)與AlN顆粒之間的強相互作用，有效促進(jìn)了界面熱傳遞，推動了高性能電子產(chǎn)品等應(yīng)用的發(fā)展。
圖文解讀
本文通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等多種表征手段，揭示了膠態(tài)液態(tài)金屬與AlN顆粒之間的相互作用及其微觀結(jié)構(gòu)特征。這些觀察顯示出AlN顆粒在液態(tài)金屬中均勻分散，促進(jìn)了界面熱傳導(dǎo)性能的提升。針對界面熱阻的現(xiàn)象，通過微觀機理分析，我們發(fā)現(xiàn)AlN顆粒與液態(tài)金屬的結(jié)合能夠有效降低熱阻，進(jìn)而挖掘出材料在高溫應(yīng)用中的潛力。
在此基礎(chǔ)上，使用X射線光電子能譜（XPS）和能譜分析（EDS）對界面層的化學(xué)成分和厚度進(jìn)行了詳細(xì)表征，結(jié)果表明膠態(tài)液態(tài)金屬在高溫下仍能保持低的界面熱阻。這一發(fā)現(xiàn)為熱界面材料的設(shè)計提供了理論依據(jù)。通過流變學(xué)測量，研究了膠態(tài)液態(tài)金屬的流動行為，發(fā)現(xiàn)隨著AlN顆粒濃度的增加，材料的儲存模量顯著提升，屈服應(yīng)力增加，進(jìn)一步驗證了其在高熱流密度應(yīng)用中的適用性。
圖1：膠體LMs的概念和合成。
圖2：AlN-LM異質(zhì)界面的調(diào)制。
圖3：界面觸變性和熱傳輸。
圖4: 用設(shè)備中的高通量散熱。
結(jié)論展望
本研究引入了一種新型膠態(tài)液態(tài)金屬（LM），旨在同時解決熱導(dǎo)率和最佳觸變性在熱界面材料（TIMs）中的挑戰(zhàn)。這些膠態(tài)液態(tài)金屬以梯度結(jié)構(gòu)異質(zhì)界面為特征，通過有效的固-液相互作用和在壓縮時填充顆粒之間減少摩擦，實現(xiàn)高效的界面熱傳導(dǎo)。它們在各種薄層厚度下展現(xiàn)出低的界面熱阻，有效縮小了現(xiàn)有TIMs與理論預(yù)測之間的差距，促進(jìn)了千瓦級實際設(shè)備的冷卻。這些材料有望在高性能電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心、航空航天、雷達(dá)探測和人工智能技術(shù)等能源密集型領(lǐng)域找到應(yīng)用。
文獻(xiàn)信息：
Wu, K., Dou, Z., Deng, S. et al. Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01793-0
