随着电子设备集成度的不断提高和功率密度的不断提高，许多电子设备的热管理对于确保其可靠运行变得越来越重要。特别是，热界面材料 (TIM) 通过增强电子设备界面之间的热耦合来实现高效散热，从而成为热管理的重要组成部分。传统的 TIM 是含有导热填料的聚合物基复合材料。虽然聚合物基体赋予 TIM 填充界面处气隙的灵活性，但它们的热性能通常受到聚合物中较差的热传输的限制。具有金属填料的镓基液态金属 (LM) 复合材料是一类新兴的热界面材料 (TIM)，它们的金属性质确保了固有的高热导率（κ）和良好的热传输性能。液态金属的流动性使它们能够填充电子芯片和散热器之间的气隙。然而，镓与许多金属填料（如铜和银）之间的原位合金化会导致复合材料稳定性降低。
鉴于此，上海交通大学宋成轶副教授、邓涛教授和北卡罗来纳州立大学 Michael Dickey教授提出了一种界面工程方法，使用3-氯丙基三乙氧基硅烷 (CPTES) 作为有效的热连接剂和LM基体中铜-镓氧化物界面的扩散屏障，从而提高 (EGaIn-CuP) 复合材料的热导率和稳定性。通过将LM与CPTES改性的铜颗粒混合，热导率高达 65.9 W m-1 K-1，这是报告的具有金属填料的镓基液态金属复合材料的最高值之一。此外，可以通过改变硅烷分子的端基来调整热导率。这种复合材料作为TIM的潜在用途也显示在计算机中央处理单元的散热中。这项工作提供了一种不同的方法来制造高性能LM基复合材料，并可能进一步推动它们在各个领域的应用，包括热管理系统、柔性电子产品、消费电子产品和生物医学系统。相关工作以“Liquid Metal Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Stability Using Molecular Thermal Linker”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
液态金属复合材料的制备与表征
将球形CuP粉末称重并倒入装有甲苯的玻璃瓶中，然后将特定量的CPTES加入溶液中。混合过程使用电动剪切混合器进行。CPST通过脱水反应与部分氧化的CuP表面上的羟基进一步反应制备CuP@Cl粉末。然后将其与EGaIn简单混合，随着新的EGaIn表面不断暴露并在剪切力下形成新的氧化层，填料颗粒可以通过氧化物辅助过程结合到EGaIn基体中，并迅速获得分散良好的EGaIn-CuP复合材料（图1）。SEM测试表明，随着CuP体积分数的增加，表面粗糙度也随之增加（图2）。
图1 CPTES改性铜颗粒和复合材料的生成示意图
图2复合材料的表征
复合材料的热性能和稳定性
对于EGaIn-CuP复合材料，随着CuP体积分数的逐渐增加，热导率首先增加，但一旦CuP体积分数超过一定阈值，热导率开始下降。导热系数在填料体积分数为51%时达到峰值，平均值为57.0±1.81 W m-1 K-1。对EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料在298 K至378 K的温度范围内进行循环热导率测量以检查其热稳定性。在初始下降≈3%后，热导率保持相对稳定。液态金属复合材料的热导率可以通过改变CuP/Ga2O3界面上化学相互作用的强度来成功定制，证明了这种方法的灵活性（图3）。此外，对于EGaIn-CuP@Cl复合材料可以通过用硅烷分子对CuP填料进行化学改性来提高稳定性。硅烷改性提高稳定性背后的机制可归因于键合诱导的原子扩散阻抗。高温控制实验进一步证实，与未改性的EGaIn-CuP复合材料相比，EGaIn-CuP@Cl复合材料表现出极大的稳定性，证明了其在实际TIM应用中的潜力（图4）。
图3 EGaIn-CuP复合材料的热性能
图4复合材料的稳定性评估
复合材料作为TIM的计算机CPU散热测试
EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料可以轻松应用于CPU芯片。使用Prime 95软件的CPU最大发热量在300秒左右开始。CPU顶面的温度 (Tc) 和散热器上方的环境空气 (Ts) 温度差的变化来表征散热测试。测试前初始温差几乎相同。到达最大发热量后，没有应用TIM的情况下最大，温度迅速上升到43.6 °C。商用导热油脂在最大发热后将温差降低至34.0°C。相比之下，EGaIn-CuP@Cl-51 vol%复合材料将温差降低至14.7 °C，与商用导热膏相比实现了显着的散热改进。这一结果还通过使用红外 (IR) 摄像头记录 CPU 和散热器周围从 0 s 到 330 s 开始最大发热后的温度变化得到验证。此外，LM复合材料和固体基板之间的界面接触条件测试表明界面接触电阻很小，具有应用潜力作为有效的TIM。
图5复合材料作为TIM的计算机CPU散热测试
小结：作者通过对CuP填料进行硅烷表面改性，成功合成了具有增强导热性和稳定性的液态金属-铜复合材料。这种在末端具有氯基团的硅烷用作分子热连接剂。导热系数高达65.9 W m-1 K-1，是液态金属-金属填料复合材料有史以来报告的最高值之一。覆盖在CuP上的硅烷分子还在铜和EGaIn基体之间形成扩散屏障在很大程度上减慢了合金的形成速率并提高了复合材料的稳定性。CPU散热测试证明了EGaIn-CuP@Cl复合材料的热性能。这项工作为制造高性能液态金属复合材料提供了一种替代方法，可能会进一步推动它们在许多领域的应用。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103104
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