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石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料中的热阻降低研究1

石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料中的热阻降低研究

摘要

本研究旨在系统探讨石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料（TIMs）中的应用及

其对热阻降低的机理与效果。随着电子器件功率密度持续提升，热管理问题已成为制约

其性能的关键瓶颈。石墨烯作为一种具有优异导热性能的二维材料，其在导热界面材料

中的应用展现出巨大潜力。本报告通过理论分析、实验验证和数值模拟相结合的方法，

深入研究了石墨烯基纳米复合材料的制备工艺、导热机理、界面热阻特性及其在实际应

用中的性能表现。研究结果表明，通过优化石墨烯的分散性、取向性和界面结合，可显

著降低导热界面材料的总热阻，提升热传导效率。本报告还分析了当前技术面临的挑

战，提出了相应的解决方案，并展望了未来研究方向。研究成果将为高性能导热界面材

料的开发提供理论依据和技术支持，对推动电子器件热管理技术发展具有重要意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

随着5G通信、人工智能、新能源汽车等新兴技术的快速发展，电子器件正朝着高

功率密度、小型化和集成化方向演进。据国际半导体产业协会（SEMI）2022年报告显

示，高性能计算芯片的功率密度已超过300W/cm²，预计到2030年将突破500W/cm²。

如此高的功率密度导致器件产热量急剧增加，若热量不能有效散发，将导致器件温度升

高，性能下降，甚至永久性损坏。研究表明，电子器件温度每升高10℃，其可靠性将降

低50%。因此，高效的热管理技术已成为保障电子器件稳定运行的关键。

导热界面材料作为连接发热元件与散热器的关键媒介，其性能直接影响整个散热

系统的效率。传统导热界面材料如硅脂、导热垫片等存在导热系数低、易老化、界面热

阻高等问题，难以满足高功率密度器件的散热需求。石墨烯作为一种具有超高本征导热

系数（约5300W/m·K）的二维材料，被认为是开发新一代高性能导热界面材料的理想

填料。然而，石墨烯在聚合物基体中的分散性、取向性以及界面热阻等问题制约了其性

能发挥。因此，系统研究石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料中的应用，突破热阻降

低瓶颈，具有重要的理论价值和工程意义。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外学者在石墨烯基导热界面材料方面开展了大量研究。美国加州大

学洛杉矶分校（UCLA）团队通过化学气相沉积法制备垂直取向石墨烯薄膜，实现了

15W/m·K的面外导热系数。清华大学研究组采用液相剥离法制备功能化石墨烯，与

环氧树脂复合后导热系数提升至8.5W/m·K。韩国科学技术院（KAIST）则通过构建

石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料中的热阻降低研究2

石墨烯三维网络结构，使复合材料的导热系数突破20W/m·K。这些研究虽然取得了

显著进展，但仍存在制备工艺复杂、成本高昂、规模化困难等问题。

国内方面，中国科学院、浙江大学等机构在石墨烯基导热材料领域也取得了重要突

破。据《中国石墨烯产业报告（2023）》显示，我国石墨烯导热材料市场规模已达50亿

元，年增长率超过30%。然而，高端导热界面材料仍主要依赖进口，国产材料在导热性

能、稳定性和一致性方面与国际先进水平存在差距。因此，亟需开展系统研究，突破关

键技术瓶颈，提升我国在该领域的核心竞争力。

1.3研究内容与目标

本研究聚焦石墨烯基纳米复合材料在导热界面材料中的热阻降低问题，主要研究

内容包括：（1）石墨烯纳米填料的表面改性及分散控制；（2）石墨烯/聚合物复合材料

的界面设计与调控；（3）复合材料的导热机理与模型构建；（4）导热界面材料的制备工

艺优化；（5）材料性能表征与应用验证。研究目标是开发出导热系数不低于10W/m·

K、界面热阻低于0.1℃·cm²/W的高性能导热界面材料，并建立完整的理论体系和技

术方案，为产业化应用奠定基础。

研究概述

2.1研究定位与范畴

本研究属于材料科学与工程领域的应用基础研究，重点解决石墨烯基纳米复合材

料在导热界面材料应用中的关键科学与技术问题。研究范畴涵盖石墨烯纳米填料的制

备与改性、复合材料界面设计、导热机理分析、材料制备工艺优化以及性能评价等全链

条环节。研究将基础理论研究与工程应用开发相结合，既注重揭示导热界面材料的热阻

降低机理，又关注实际应用中的工艺可行性和成本控制。

2.2研究创新点