[论文解读] Magnetically-Functionalized Self-Aligning Graphene Fillers for High-Efficiency Thermal Management Applications

J. Renteria, Stanislav Legedza+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Thermal properties of materials参考文献 58被引用 5

一句话总结

本文提出了一种磁性功能化的石墨烯填料，其在外部磁场作用下可自对齐，从而提升热界面材料（TIMs）的热导率。通过仅使用1 wt.%的Fe3O4纳米颗粒对少层石墨烯鳞片进行功能化，该方法在实际测试中实现了热导率约2倍的提升，并将芯片温度最高降低10 °C，优于随机填料复合材料的表现。

ABSTRACT

We report on heat conduction properties of thermal interface materials with self-aligning "magnetic grapheme" fillers. Graphene enhanced nano-composites were synthesized by an inexpensive and scalable technique based on liquid-phase exfoliation. Functionalization of graphene and few-layer-graphene flakes with Fe3O4 nanoparticles allowed us to align the fillers in an external magnetic field during dispersion of the thermal paste to the connecting surfaces. The filler alignment results in a strong increase of the apparent thermal conductivity and thermal diffusivity through the layer of nano-composite inserted between two metallic surfaces. The self-aligning "magnetic grapheme" fillers improve heat conduction in composites with both curing and non-curing matrix materials. The thermal conductivity enhancement with the oriented fillers is a factor of two larger than that with the random fillers even at the low ~1 wt. % of graphene loading. The real-life testing with computer chips demonstrated the temperature rise decrease by as much as 10oC with use of the non-curing thermal interface material with ~1 wt. % of the oriented fillers. Our proof-of-concept experiments suggest that the thermal interface materials with functionalized graphene and few-layer-graphene fillers, which can be oriented during the composite application to the surfaces, can lead to a new method of thermal management of advanced electronics.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低成本的方法，以提升先进电子设备用热界面材料的热导率。
• 解决复合材料中填料随机取向带来的热传输效率受限问题。
• 在TIM应用过程中利用磁场实现在位对齐石墨烯填料。
• 在固化和非固化基质中均实现极低石墨烯负载量（≤1 wt.%）下的显著热性能提升。
• 通过在计算机芯片上的实际测试验证该方法，展示可测量的热性能改善。

提出的方法

• 通过液相剥离法合成石墨烯和少层石墨烯鳞片，以实现可扩展性和低成本。
• 使用Fe3O4纳米颗粒对石墨烯鳞片进行功能化，赋予其磁响应性。
• 在分散过程中施加外部磁场，诱导磁性石墨烯填料在TIM基质中自对齐。
• 对齐的填料在界面中形成连续的声子传输通路，从而提升热导率。
• 该方法应用于固化和非固化聚合物基质，以评估其通用性。
• 在计算机芯片上开展实际测试，以评估在运行条件下的热性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性功能化是否能够实现在外部磁场作用下，热界面材料中石墨烯填料的在位自对齐？
• RQ2 填料对齐如何影响复合TIM中表观热导率和热扩散率？
• RQ3 在低负载量（≤1 wt.%）下，磁性对齐石墨烯填料的热性能相较于随机取向填料的提升程度如何？
• RQ4 该方法是否能有效应用于实际TIM应用中的固化和非固化基质材料？
• RQ5 通过这种自对齐填料方法，在实际电子设备中可实现多大程度的热性能改善？

主要发现

• 使用磁性功能化、自对齐的石墨烯填料，仅在1 wt.%负载量下，复合材料的表观热导率相比随机取向填料提升了两倍。
• 由于复合材料中形成了连续且对齐的声子导电通路，热扩散率显著提升。
• 在计算机芯片上的实际测试表明，使用非固化TIM并搭配对齐填料时，芯片最高温度降低了10 °C。
• 该方法在固化和非固化基质材料中均表现出有效性，表明其具有广泛适用性。
• 热性能的提升仅依赖极低的石墨烯含量（≤1 wt.%），使该方法具备可扩展性和成本效益。
• 概念验证结果表明，该方法为先进电子设备的高效热管理提供了切实可行的新途径。