东华大学朱美芳院士团队AM：打破液态金属热界面材料导热-绝缘性能权衡

随着人工智能大模型等技术的飞速发展，数据中心和机器人系统的能耗预计到2026年将超过1000 TWh，其中约40%用于冷却系统。高效热管理已成为全球性关键挑战，热界面材料在电子元件散热中发挥着核心作用。当前主流热界面材料主要采用导电金属或陶瓷填料（如Al、Zn、Al₂O₃、ZnO、AlN）分散于绝缘聚合物基体中，正逼近其性能极限。知名商用产品如汉高BERGQUIST LIQUI FORM TLF 10000和莱尔德Tputty 910的热导率仅约10 Wm⁻¹K⁻¹，难以满足下一代系统的散热需求。液态金属基热界面材料因具有优异的热导率（约26.4 Wm⁻¹K⁻¹）和流动性而成为有前景的替代方案，但其面临一个根本性挑战：液态金属主要通过自由电子运动传导热量，这同时赋予其高导电性，导致热导率与电绝缘性之间存在严重的权衡关系。此前最先进的技术虽然实现了约6.70 Wm⁻¹K⁻¹的热导率，却牺牲了电阻率（仅约6.76×10⁹ Ω·cm），而非渗流致密化技术虽将电阻率提升至10⁷ Ω·cm，但热导率却降至仅4.20 Wm⁻¹K⁻¹，远不能满足先进热管理应用的需求。

东华大学朱美芳院士团队王刚研究员、孙恒达研究员和中国科学院福建物质结构研究所林悦研究员合作，提出了一种界面工程策略，通过精准调控液态金属颗粒的界面张力，合成了具有双峰粒径分布结构的GaIn-B热界面材料。该材料中较小液态金属颗粒有效填充大颗粒间隙，同时保持电绝缘，形成非接触网络，在防止电渗流的同时维持高效热传输。GaIn-B实现了约16 Wm⁻¹K⁻¹的显著热导率和超过10¹¹ Ω·cm的电阻率，相比传统均匀分散的液态金属热界面材料（GaIn-U）热导率提升了300%。研究团队基于有效介质理论建立了唯象模型，定量描述并预测了打破热电权衡的关键条件。该材料合成工艺简便且可规模化，可实现公斤级生产，极具工业应用潜力。相关论文以“Breaking Thermal Conductivity–Electrical Resistivity Trade-Off in Liquid Metal–Based Thermal Interface Materials via Interface Engineering”为题，发表在Advanced Materials上。

图1 液态金属基热界面材料的性能与对比。 （a）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和汉高TLF 6000在应用热阻（Reff）、接触热阻（Rc）、体热阻（Rb）、击穿强度、触变性和热导率（TCcom）方面的对比分析。（b）GaIn-B双峰结构示意图。（c）GaIn-U单峰结构示意图。（d）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和汉高TLF 6000的粘接层厚度评估。此处Rb（单位：Km²W⁻¹）表示指定压力下热界面材料的理论热阻，按Rb = BLT / TCcom计算，其中BLT为给定压力和温度下的粘接层厚度。接触热阻Rc由应用热阻Reff与Rb之差获得，Reff依照ASTM D5470标准使用热阻测试仪测量。所有测量均在20 psi压力和60℃热端温度条件下进行。（e）GaIn-B和GaIn-U与先前报道基准的热导率和电阻率交叉对比。图中数字标识对应表S2中的条目。

结构与性能综合分析

研究发现，GaIn-B热界面材料具有双峰粒径分布和绝缘隔离堆叠结构，通过合成过程中利用表面改性剂调控液态金属液滴的界面张力实现。在合成中，研究团队首先将共晶镓铟合金液态金属与3-巯丙基三甲氧基硅烷（KH 590）混合搅拌（图2a），傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱证实KH 590有效键合于液态金属的自然氧化表面，形成聚硅氧烷包裹层。随后加入硅油继续搅拌，聚硅氧烷包裹的液态金属表面与硅油之间界面张力仅为32±1 mNm⁻¹，促进小液态金属颗粒形成，而未修饰液态金属表面与硅油的界面张力高达442±47 mNm⁻¹，利于大液态金属颗粒形成。在25℃静置21天后，未反应的KH 590进一步与液态金属反应形成SH-聚硅氧烷封装结构，同时游离KH 590聚合为巯基-多面体低聚硅倍半氧烷结构，进一步增强了电绝缘性能。X射线光电子能谱（图2b）、核磁共振（图2c，在-68.5和-58.3 ppm处显示两个不同峰，比例约为1:1，分别对应SH-聚硅氧烷网络和SH-POSS）、小角X射线散射、差示扫描量热法和热重分析等表征手段证实了聚硅氧烷层的存在及其结构稳定性，包裹层厚度约为5.23 nm，作为关键的绝缘屏障促进了非接触网络的形成。

双峰粒径分布的形成机制可通过Kolmogorov理论阐明。在不相溶液体分散体系中，液滴在流动应力下变形，只有当破坏性粘性或惯性力超过界面张力提供的恢复力时液滴才会破碎，较低的界面张力降低了破碎所需能量壁垒，从而促进更小液滴的形成。研究团队通过调整KH 590浓度控制连续基质相的粘度，进而调控大颗粒和小颗粒尺寸。当KH 590体积分数从2 vol%增至10 vol%时，连续相动态粘度从284.90 mPa·s降至16.37 mPa·s，大颗粒粒径相应地从6.79 μm增至80.63 μm（图2d）。基于双峰粒径分布模型和扫描电子显微镜测量的颗粒尺寸与基于界面张力数据的Kolmogorov理论预测高度一致。纳米计算机断层扫描进一步确认了清晰的粒径双峰分布特征，在含6 vol% KH 590的样品中，大颗粒平均尺寸为22.50±8.79 μm，小颗粒平均尺寸为3.60±1.14 μm，小液态金属颗粒均匀填充于大颗粒间的间隙中（图2e）。这种独特结构有效降低了低热导率绝缘层厚度，优化了热传输性能。

图1a的系统性能对比表明，GaIn-B在应用热阻（Reff）、接触热阻（Rc）、体热阻（Rb）、击穿强度和触变性等方面均展现出优异性能。GaIn-B的应用热阻Reff低至0.29 KmW⁻¹，远低于GaIn-U的2.16 KmW⁻¹，同时接触热阻Rc和体热阻Rb也显著降低，击穿强度达5.03 kVmm⁻¹（图1a）。图1d的粘接层厚度评估进一步显示，GaIn-B在相同压力和温度条件下的BLT显著优于商用Tputty 910、GaIn-U和汉高TLF 6000，这得益于其优异的流动性和双峰结构的紧密堆积特性，进一步降低了应用热阻。能量色散X射线光谱面分布图谱表明（图2i、2j），GaIn-B中液态金属颗粒均匀封装于聚硅氧烷层内，硅元素富集于液态金属颗粒表面，同时硫元素存在于界面/晶界区域。这种封装很可能是由-SH基团与液态金属颗粒表面Ga₂O₃之间的非共价相互作用实现，有效隔离了液态金属颗粒，防止了导电渗流通道的形成。相比之下，GaIn-U缺乏这种封装（图2h），聚硅氧烷对液态金属颗粒表面的覆盖不足，颗粒间存在欧姆接触和融合风险。在80.30 vol%的液态金属填充量下，双峰分布结构将硅油绝缘层厚度降至0.15 μm，相比GaIn-U的0.42 μm减少了约65%，大幅缩短了低热导传输路径长度。

图2 GaIn-B中双峰隔离堆叠结构的结构与成分分析。 （a）GaIn-B合成过程示意图。（b）GaIn-B和KH 590的XPS分析。（c）GaIn-B的²⁹Si NMR表征，在-68.5和-58.3 ppm处显示两个不同峰，比例约为1:1，分别对应SH-聚硅氧烷网络和SH-POSS。（d）不同KH 590比例下通过Kolmogorov理论基于界面张力得出的平均粒径与GaIn-B的SEM和Nano-CT测量值的比较。（e）GaIn-B中大小颗粒的粒径分布（KH 590比例为6 vol%），插图为Nano-CT成像（比例尺：50 μm）。（f）GaIn-B和GaIn-U的温度依赖性热导率。（g）GaIn-B和GaIn-U温度依赖性电阻率的阿伦尼乌斯分析。（h）GaIn-U的EDX谱图显示明显的单峰分布（液态金属球体：蓝色；比例尺：7.5 μm）。（i）GaIn-B的EDX谱图显示双峰颗粒分布（大球体：黄色；小球体：紫色；聚硅氧烷基体：青色；比例尺：7.5 μm）。（j）GaIn-B的SEM和EDX面分布图谱（比例尺：200 μm）。

热电性能与理论模型

GaIn-B同时实现了高热导率和高电阻率的卓越性能。其热导率约16 Wm⁻¹K⁻¹，且随温度升高至155℃时进一步提升至18.44 Wm⁻¹K⁻¹（图2f），源于界面区域热阻随温度升高而降低。通过阿伦尼乌斯型关系分析温度依赖的绝缘行为（图2g），GaIn-B在整个温度范围内保持更高的电阻率并呈现更显著的线性关系，表明其电荷传输主要由界面势垒主导，KH 590衍生的聚硅氧烷绝缘层增加了电子传输势垒并抑制了热激活漏电通道的形成，展现出优异的高温绝缘保持能力。

为理解GaIn-B同时实现高热导率和高电阻率的性能（图1e），研究团队在有效介质理论框架内建立了双峰粒径分布模型（图3a）。该模型将GaIn-B视为包含体相区和界面区两部分，体相区包含大液态金属颗粒，界面区由小液态金属颗粒和基体组成。图3b展示了不同KH 590比例下GaIn-B的热导率和电阻率实测值，随着KH 590含量从2 vol%增至10 vol%，热导率先升后降，在6 vol%时达到最优值，而电阻率则随KH 590含量增加持续上升，反映了界面绝缘层增厚对电性能的贡献与对热性能的权衡影响。通过联立热导率和电阻率方程，模型预测优化组分（6 vol% KH 590、13.70 vol%硅油、80.30 vol%液态金属）中小颗粒平均尺寸为2.74 μm、体积分数为7.30%（图3c），与实验测量的3.60 μm吻合良好，存在轻微偏差但在实验误差范围内。模型还给出了不同KH 590比例下的绝缘层厚度计算结果（图3d）。与串联、并联、Bruggeman和Maxwell-Garnett模型相比（图3f、3g），双峰粒径分布模型与实验测量的热导率和电阻率结果更为接近（图3e），验证了其预测能力。该模型可有效确定获得目标热学和电学性能的最优颗粒尺寸和体积分数。研究团队进一步制备了含铜和铝填料的导热硅脂进行验证，实验结果与模型预测合理吻合，证明了模型的普适性。需要注意的是，铜导热硅脂的实验值（2.14 Wm⁻¹K⁻¹）略高于理论预测值（1.21 Wm⁻¹K⁻¹），而电阻率实验值（4.65×10¹¹ Ω·cm）低于理论值（8.08×10¹¹ Ω·cm），这种偏差源于复合材料中可能存在的部分渗流现象，即少量导电通路的部分形成增强了热传导但同时降低了电绝缘性，这一现象在理论模型中未完全考虑。固态铜填料在总填充量超过71.88 vol%时会丧失流动性，而液态金属填料可提升至83.71 vol%仍保持优异流动性，充分展示了液态金属相对传统固态填料的优势。

图3 预测具有双峰颗粒分布结构的非渗流热界面材料热导率和电阻率的唯象模型。 （a）GaIn-B中液态金属液滴分布的模拟图，展示分散的小颗粒位于大颗粒之间，从而防止任何液态金属液滴的直接接触。（b）不同KH 590比例下GaIn-B的测量热导率和电阻率。（c）通过双峰粒径分布模型求解得到的不同KH 590比例下的d_SLM和vol_SLM计算值。（d）双峰粒径分布模型得到的不同KH 590比例对应的d_SO计算值。（e）GaIn-B（含6 vol% KH 590、13.70 vol%硅油和80.30 vol%液态金属）的实验测量热导率和电阻率与双峰粒径分布模型理论计算值的比较。（f）GaIn-B实验测量热导率和（g）电阻率与双峰粒径分布模型、Bruggeman、Maxwell-Garnett、串联和并联模型预测值的比较。

规模化生产与应用展示

GaIn-B合成工艺的简便性和可扩展性使其在实验室条件下即可实现公斤级生产，单批次2.5 kg产品（图4a）可满足15000个5 W LED模块、5000部智能手机或50套1000 W探照灯的热管理需求。GaIn-B在宽剪切速率范围内表现出优异的触变性，随KH 590含量增加储能模量和屈服应力显著降低、流动性增强，适合工业化规模制造。利用直写技术可将GaIn-B图案化于印刷电路板、芯片和散热器等基材上，超景深显微镜显示均匀的点阵单元平均高度约800 μm（图4b），展现出优异的加工稳定性。封装聚硅氧烷层有效抑制了镓的扩散，显著改善了镓基液态金属在水环境中易脱合金化导致体积膨胀和断裂以及对铝、锡、铜等金属的腐蚀问题。在85℃、85%相对湿度环境下老化240小时后，铝板EDX分析未发现镓扩散或腐蚀迹象，而纯液态金属在相同条件下表现出明显腐蚀性。GaIn-B在125℃高温条件下经过1000小时评估后热阻和电阻率保持稳定，在超过10000次热冲击循环（开启1分钟，关闭2分钟）后仍保持优异热管理能力（图4c）。

在被动散热性能对比中，涂覆GaIn-B的大功率MOSFET模块平均壳温比使用商用导热硅脂的模块分别低8.2℃和8.0℃。将GaIn-B注入Ecoflex硅橡胶制备的扭曲条带在恒定130℃热源下展现出高效热扩散能力，而纯硅橡胶条带则出现热量积聚（图4d），突显了GaIn-B在柔性和可穿戴电子产品中的应用潜力。KH 590功能化使GaIn-B相较于GaIn-U具有更强的界面粘附力（图4e），优异封装性能使其可直接集成于电子主板，将发热元件工作温度从53.5℃降至46.1℃（图4f）。在大功率逆变器模块实验中（图4g），输入380 V、54.4 A（总功率20672 W，功率密度287.1 Wcm⁻²）条件下运行30分钟后，GaIn-B冷却的IGBT芯片结温稳定在70.0℃，而商用导热硅脂（莱尔德Tputty 910）冷却的芯片结温为74.0℃（图4h、4i），显著的温度降低证明了GaIn-B在有限热交换条件下的优越散热能力。

图4 GaIn-B（KH 590比例为6 vol%）作为热界面材料的应用。 （a）GaIn-B以2500 g批量大规模生产，可单次用于15000个LED单元、5000部智能手机或50台大功率探照灯；（b）GaIn-B的打印能力（比例尺：1.5 cm）：直径5 mm的GaIn-B点阵展示均匀分布厚度小于1000 μm；（c）LED阵列热管理示意图，GaIn-B在6887 Wm⁻²的LED阵列中经历10000次温度循环测试（开启1分钟，关闭2分钟）；（d）纯硅橡胶（右）和掺入GaIn-B的硅橡胶（左）以增强热导率的照片和红外成像（比例尺：7.5 cm；直方图均衡化颜色分布）；（e）GaIn-B的共形性和粘附性（左，比例尺：1.5 mm，左面板比例尺：400 μm；右面板比例尺：150 μm）。GaIn-B和GaIn-U的剪切应力-应变曲线（右）；（f）运行过程中有无GaIn-B封装的母板红外热像图；（g）GaIn-B高度适用于大功率逆变器上IGBT的热管理；（h）总功率20672.0 W、功率密度287.1 Wcm⁻²条件下使用GaIn-B与商用热界面材料（莱尔德Tputty 910）的逆变器IGBT红外成像对比；（i）总功率20672.0 W、功率密度287.1 Wcm⁻²条件下使用GaIn-B与商用热界面材料（莱尔德Tputty 910）的大功率逆变器内部芯片结温对比。

总结与展望

本研究在热界面材料领域取得了重要突破，通过合成具有双峰粒径分布结构的GaIn-B，成功克服了液态金属基热界面材料中热导率与电绝缘性之间的长期权衡难题。其卓越性能源于对液态金属界面张力的精准调控以及聚硅氧烷层的封装保护，在维持高热导率的同时有效防止了电渗流。关键概念创新在于首次在液态复合材料中实现了稳定的双峰粒径分布——相比传统固态复合材料中可便捷控制并固定的颗粒堆积，液态体系中分散相具有流动性，会持续变形、融合和重组，而表面能调控策略为控制这一动态行为并在液态金属复合材料中稳定双峰分布提供了有效方案。研究团队建立的双峰粒径分布模型为高性能热界面材料的理性设计提供了有用框架。GaIn-B的合成工艺简便且可规模化生产，极具工业应用潜力。该材料不仅可满足先进电子系统热管理需求，还通过界面工程和粒径分布调控实现多重功能特性的协同优化，其应用范围可扩展至人工智能驱动机器人、柔性电子和可穿戴设备等新兴技术领域，为面向下一代系统复杂需求的功能复合材料设计开辟了新途径。