河北
1背景介绍
电子设备向高性能、小型轻薄化发展，散热成为重要瓶颈。石墨导热膜（石墨烯、人工石墨膜等）面内热导率优异，可沿平面快速扩散热量，是手机、平板等设备的核心散热材料。但行业存在性能评判误区：要么只看重面内热导率，忽略厚度对散热的影响；要么片面追求厚度，轻视热导率价值。单一指标无法真实体现石墨导热膜的实际散热表现。单纯追求高热导率或特定厚度都达不到最佳效果，只有把握热导率与厚度的协同关系，评估不同组合的散热能力，才能结合设备空间、热负荷与温升需求，选出适配的最优散热方案。
2研究成果
近日，鸿凌达郭志军团队、清华大学孙波团队，与中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士（通讯作者）合作，在《新型炭材料（中英文）》期刊发表研究论文，针对电子器件散热用导热膜的性能评估问题，首次提出以“热流因子”（厚度×面内热导率）作为核心评价指标。研究团队通过建立“导热膜-器件”有限元模型，系统研究了石墨导热膜面内热导率与厚度对散热性能的影响机制。仿真结果表明：在石墨导热膜厚度 ≲ 100 μm时，面内热导率与厚度对散热效果具有等效作用：相同热流因子下，不同面内热导率与厚度组合的温度分布基本一致；提高热流因子可显著降低器件表面温度，但当其过高时散热性能增益急剧减弱；当厚度超过1 mm时，因侧面积增大导致垂直方向热阻及对流面积变化，二维假设不再适用。研究团队进一步采用稳态温差法对系列商用石墨膜样品开展验证实验。实验数据与有限元模拟分析结果基本一致，证实了热流因子可作为指导导热膜选型的有效参数。实验数据同样揭示了性能增益的饱和现象：当热流因子较小时，其数值的微小提升能带来温差的显著降低；但随着热流因子持续增大，单位提升所带来的温差减小幅度逐渐变缓——存在一个性能增益的“平台期”或“饱和点”。这一发现为散热膜的优化选型提供了重要边界，提示设计者应避免盲目追求超高参数。
3图文速览
图1.热流因子对温度分布的影响：相同热流因子下，不同厚度/热导率组合具有相近的温度梯度。
图2.散热系统3D几何模型与网格离散化：COMSOL建立的导热膜-器件耦合模型及稳态温度分布云图。
图3.面内热导率对温度分布的影响：热导率从200提升至1000 W/(m·K)可使器件温度降低30℃，但继续提升则增益减弱。
图4.厚度对散热效果的影响：厚度增加可降低温度，但超过一定值后提升效果显著减缓。
图5.热导率与厚度协同效应：相同热流因子下，不同组合的器件表面温度基本一致。
图6.热流因子等效性验证：不同厚度/热导率但相同热流因子的散热膜，其背面温度分布曲线几乎重合。
图7.快速表征石墨膜导热性能的测试治具：自建稳态温差测试系统示意图（加热块+热电偶布置）。
表1.不同石墨厚度、不同热导率的热流因子和 3 W/5 W 功率下的温差性能
图8.实验测试结果（温差vs.热流因子）：实验数据证实热流因子与稳态温差呈单调负相关，且存在性能饱和趋势，与模拟高度吻合。
4研究意义
热流因子为散热膜选型与热设计提供了量化依据。通过瞄准目标热流因子，设计师可以灵活地在不同的厚度与导热率组合中进行选择，从而实现散热性能、空间占用、机械柔性及成本之间的最佳平衡。
未来的研究可进一步结合新型石墨/石墨烯基散热膜、柔性复合膜等多尺度构效关系，拓展热流因子在更先进、更复杂热管理场景中的应用。
来源：热管理实验室 ThermalLink
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