【综述】南方科技大学李保文团队综述：热界面材料——从基础研究到应用

2024年9月，《SusMat》刊登了南方科技大学李保文团队的最新综述，该文章总结了热界面材料的相关研究进展。

研究背景

界面热阻（Interfacial thermal resistance, ITR）是热流从一种材料流向另一种材料的主要障碍。热界面材料 (Thermal interface materials, TIMs)填充于两个或多个热传导表面之间，以减少界面热阻（ITR）从而到达散热效果，提高设备的运行效率。（如图1）

本团队前期针对ITR基本理论模型（声学失配模型、扩散失配模型等），前沿计算方法（晶格动力学、分子动力学等）以及实验技术发展（时域热反射、热桥法等）进行了讨论总结 。

图1. TIMs促进电子器件散热示意图。

文章概述

本综述从界面热阻出发，探讨了目前TIMs的理论科学基础，强调了界面热阻对改善界面导热的重要性。另外，进一步从材料的角度进行了详细的综述，重点介绍了TIMs的结构、组成以及热源和热沉的相互作用。文章指出有两种主要的途径来改善通过界面的传热：一是通过加入导热填料、增强界面结构和表面改性处理技术等策略来降低TIM的本征热阻(RTIM)；二是通过改善有效界面接触，加强键合，利用质量梯度结构提高振动匹配，从而降低接触热阻(Rc)。

1.TIMs的科学问题

文章从TIMs应用出发，介绍了TIMs设计和性能衡量的关键要素（界面热阻、导热系数、厚度），通过讨论它们的物理意义和相关物理模型指出相互之间的联系以及不同因素对界面热阻的影响。同时简要阐述了在理论上以及实验中提高TIMs应用性能的方法。

图2. 减少界面热阻包括减少本征热阻(RTIM)和接触面热阻(Rc)。

2. TIMs本征热阻优化

TIMs的本征热阻(RTIM)是散热接口处界面热阻的一部分，主要取决于TIMs的导热系数(κ)和厚度(BLT)。通过提高κ和降低BLT可有效降低RTIM。本文基于对RTIM的优化，讨论了以优化填料分布、定向取向，增强填料间的键和以及内部填料的结构设计来改善TIMs内填料颗粒间互相接触的界面热阻(RF-F)。同时，由于TIMs的填料与基体之间晶格振动不匹配，严重阻碍了热量的传递。文章也总结了目前研究中通过降低填料和基体间的界面热阻(RF-M)来提高整体的导热性能的方式，其中包括在填料表面引入共价键/非共价键来提高填料和基体间的界面耦合强度。

图3. TIMs本征热阻（RTIM）的优化方式

3. TIMs接触热阻优化

TIMs的散热性能不仅受其本征热阻的影响，还受TIMs与热源或散热器之间界面接触的影响。不充分接触（接触不足或结合力弱）阻碍了界面的有效传热，从而导致接触热阻(Rc)的上升。

传统方法通过增加高导热填料负载来提高本征导热系数，然而导致TIMs和接触面结合能力降低，Rc急剧增加。文章讨论了通过增大有效接触面积来减小Rc，包括：a.引入与聚合物模量较为匹配的导热填料液态金属填料；b.利用具动态共价键在高温和低温中的粘度变化获得更好的表面接触。另外，文章讨论了通过自组装单层(Self-assembled Monolayer)、表面官能团和界面结构设计，在原子尺度上增强TIMs和接触面声子匹配，加强TIMs与接触面的结合。最后，从物理机制出发讨论了通过质量梯度来减轻TIMs和接触面振动失配，降低接触热阻Rc的方案。

图4. TIMs 接触热阻(Rc)的优化方式。

总 结

该综述强调了TIMs在解决各种技术应用中的散热挑战方面的重要性。文章深入研究了界面材料的科学和理论方面，阐明了降低接触热阻对改善界面导热的重要性。该综述涵盖了通过采用创新方法(如使用高导电性填料、结构化填料设计和表面改性)来降低材料热阻(RTIM)的进展。此外，本文强调了降低接触热阻(Rc)的关键作用，重点是提高界面有效接触，增强界面结合强度，减轻振动失配，更有效地跨界面传热。展望未来，TIMs领域的发展前景广阔。未来的研究应致力于整合新材料，探索先进的制造技术，并深入研究纳米尺度下热输运机制的基本理解。

通讯作者简介：

李保文，南方科技大学材料科学与工程系和物理系双聘讲席教授。本、硕、博分别毕业于南京大学物理系（1985），中科院声学所（1989），德国奥尔登堡大学物理系（1992）。国家特聘专家，欧洲科学院（Academia Europaea）院士，美国物理学会会士。曾任博尔德科罗拉多大学机械工程系和物理系冠名终身教授，新加坡国立大学物理系终身教授。主要研究领域包括：相干和非相干声子调控，微纳米声子热输运，热界面材料，热功能材料/器件/系统设计和制造。发表论文400篇，包括3篇与纳米尺度声子热输运相关的现代物理评论（RMP）和30篇PRL以及Nat. Rev. Mater., Nat. Comm., Nat. Mater., Nano Lett, Adv., Mater., Adv. Func. Mater., Phys. Rev. A, B, E, Applied，等等。被引用超过31,500次，H因子95。过超过300次大会报告、主旨演讲、应邀/研讨会演讲。

文献信息：

Baojie Wei, Wenmei Luo, Jianying Du, Yafei Ding, Yanjiang Guo, Guimei Zhu*, Yuan Zhu*, Baowen Li*. Thermal interface materials: From fundamental research to applications. SusMat. 2024;e239.

原文链接：http://doi.org/10.1002/sus2.239

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编辑｜Ding Yafei

公众号｜rezhi2021