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突破熱管理瓶頸！芳綸基雙向高導熱石墨膜研究取得重大進展

文章來源：賢集網更新時間：2025-06-24 15:53:45

在電子科技飛速發展的今天，芯片性能提升與體積縮小并行，功率密度飆升導致熱管理問題成為制約電子器件穩定運行的核心瓶頸。現有碳基高導熱材料雖面內熱導率出色，超過1500 W/m?K時，面外熱導率卻普遍低于8 W/m?K，最低僅4 - 5 W/m?K，難以滿足高功率器件三維熱傳導需求。

就在行業發展陷入瓶頸之際，近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所丁古巧、何朋團隊聯合寧波大學王剛團隊于國際知名期刊《Advanced Functional Materials》發表的一項重磅研究成果，無疑為困境中的熱管理技術領域帶來了新的曙光。

該團隊提出以芳綸膜為前驅體，通過高溫石墨化工藝制備出低缺陷、大晶粒、高取向的雙向高導熱石墨膜，在膜厚度 40 微米的情況下，實現面內熱導率 Kin 達到 1754 W/m?K，面外熱導率 Kout 突破 14.2 W/m?K，成功突破了碳基薄膜面外熱導率的瓶頸。

傳統工藝遇困境，創新選材尋突破

傳統石墨膜制備通常以氧化石墨烯或聚酰亞胺為原料，但在制備過程中，不可避免地面臨氣體逸散導致的結構缺陷難題。這些結構缺陷嚴重影響了石墨膜的熱導率和整體性能，使得其在高功率器件熱管理中的應用受限。

針對這一現狀，聯合研究團隊大膽創新，選用芳綸膜作為前驅體。芳綸膜具有獨特的化學特性，其低氧含量（——11%）和氮摻雜特性（氮含量——9%）成為制備高性能石墨膜的關鍵。在 3000℃的高溫處理過程中，芳綸膜的這些特性發揮了重要作用，實現了缺陷自修復、晶粒定向生長及氣體逸散優化。

其中，芳綸中的氮原子能夠有效促進晶格缺陷的修復，經過退火處理后，制備出的雙向高導熱石墨膜缺陷指標 ID/IG 低至 0.008；而芳綸分子中有序排列的苯環則為石墨晶格的生長提供了理想的模板，促使面內晶粒尺寸（La）達到 2179 nm，面外有序堆疊尺寸（Lc）達到 53 nm ，從根本上解決了傳統原料存在的缺陷問題，為制備高性能石墨膜奠定了基礎。

雙向導熱顯優勢，性能突破創佳績

通過對材料結構的巧妙調控，以芳綸膜為前驅體制備的雙向高導熱石墨膜展現出了優異的雙向導熱性能。在面內熱導率方面，達到 1754 W/m?K，相較于同條件下氧化石墨烯衍生膜提升了 17%。

在面外熱導率上的突破更為顯著，達到 14.2 W/m?K，較傳統碳基薄膜提升了 118%，徹底打破了碳基薄膜面外熱導率的瓶頸。此外，該石墨膜的亂層堆垛比例僅為 1.6%，幾乎接近理想石墨 AB 堆疊結構，這使得其在熱傳導過程中的效率大幅提高，熱阻顯著降低。

與傳統導熱膜相比，芳綸基雙向高導熱石墨膜在面內和面外熱導率以及缺陷控制方面均展現出了壓倒性優勢。這種全方位的性能提升，使其在高功率器件熱管理領域具備了更強的競爭力，為解決電子器件的熱管理難題提供了新的有效途徑。

模擬應用效果優，未來前景無限廣

為了驗證芳綸基雙向高導熱石墨膜的實際應用效果，研究團隊進行了一系列模擬實驗。在智能手機散熱模擬中，搭載該石墨膜的芯片表面最高溫度從 52℃大幅降至 45℃，有效緩解了芯片過熱問題，提升了手機運行的穩定性和用戶體驗。

在更為嚴苛的 2000 W/cm² 熱流密度的高功率芯片散熱模擬中，該石墨膜同樣表現出色，使芯片表面溫差從 50℃驟降至 9℃，能夠快速實現溫度均勻化，確保高功率芯片在極端條件下也能穩定運行。

這項研究不僅揭示了芳綸前驅體在石墨膜制備中的獨特優勢，更重要的是證明了氮摻雜與低氧含量前驅體能夠顯著提升石墨膜的結晶質量和雙向導熱特性。

其在雙向導熱性能上的重大突破，為 5G 芯片、功率半導體等高功率器件的熱管理提供了關鍵材料和技術支撐。隨著相關技術的進一步完善和產業化推進，芳綸基雙向高導熱石墨膜有望廣泛應用于電子、通信、航空航天等多個領域，為推動相關產業的發展和技術升級發揮重要作用。

該研究成果以 “Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics” 為題發表于《Advanced Functional Materials》（2025, 2425824，https://doi.org/10.1002/adfm.202425824）。論文第一作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士生鄭豪龍、楊舒景，研究得到了國家自然科學基金等項目的大力支持。這一成果的取得，是科研團隊多年來不懈努力和創新探索的結果，也為未來熱管理材料的研究和發展開辟了新的方向。

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