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随着高功率电子设备的迅速发展，热界面材料（TIMs）因其在提升热导率和降低界面热阻方面的关键作用，已成为研究的焦点。然而，在高热流密度的应用环境中，传统TIMs常常遭遇热导率不足以及接触热阻过高的挑战，这些问题极大地制约了电子组件散热效能及其稳定性的提升。
成果简介
为了克服这一难题，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授与吴凯副研究员联合德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队，在《Nature Nanotechnology》杂志上发表了题为“Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels”的前沿论文。研究团队创新性地探索了将新型胶态液态金属（LM）与高导热性材料相结合的途径，并利用机械化学手段成功合成了一种以氮化铝（AlN）作为填充物的液态金属复合材料。该复合材料展现出卓越的界面热传导能力，能够有效降低不同厚度下的界面热阻，其性能接近理论预测值，为千瓦级电子器件的散热提供了一种高效解决方案。
此外，这些胶态液态金属在多样化的流变条件下依然维持着出色的流动性，满足了高温应用场景的需求。研究揭示，通过采用梯度结构的异质界面设计策略，能够显著提升传统热界面材料（TIMs）的性能表现，为高性能电子设备的散热挑战提供了创新的解决方案。此方法不仅有效克服了液态金属在实际使用中的限制，还促进了热界面材料研究领域的发展与突破。
1. 本研究首次成功合成了一种创新的胶态液态金属（LM）复合材料，该材料通过与不同粒径的氮化铝（AlN）微粒结合，展现出了卓越的热界面性能。
2. 研究团队利用机械化学合成技术，成功构建了具有梯度结构的异质界面，这一创新设计显著降低了界面热阻并提高了热导率，从而有效缩小了与理论预测之间的差异。
3. 实验数据表明，胶态液态金属在不同厚度下均表现出较低的界面热阻（Reff），同时显著提升了热导率，使其成为高热流密度设备冷却的理想选择。
4. 流变学测量结果显示，随着AlN颗粒浓度的增加，胶态液态金属的屈服应力和储存模量均得到增强，这表明在高温条件下，该材料仍保持良好的流动性和适用性。
5. 界面热阻的测量结果进一步证实，胶态液态金属的热传导性能超越了传统热界面材料（TIMs），为高性能电子产品的散热问题开辟了一条新的技术路径。
图1：胶体LMs的概念和合成
图2：AlN-LM异质界面的调制
图3：界面触变性和热传输
图4: 用设备中的高通量散热
本项研究揭示了胶态液态金属在热界面材料（TIMs）领域的巨大应用潜力。特别是通过引入不同粒径的铝氮化物（AlN）颗粒，显著提升了材料的热导率并降低了界面热阻。这一突破性发现为未来高性能电子设备的散热管理提供了全新的视角，表明通过精细调控复合材料的微观结构，能够有效增强其热性能，为解决散热难题开辟了新途径。
此外，本研究中采用的机械化学合成方法与流变学特性分析，为打造更高效的热界面材料奠定了坚实的基础，彰显了材料科学与工程学科间的深度融合。通过对胶态液态金属进行深入探索，本文不仅为优化及开发新型高导热材料提供了坚实的科学支撑与技术蓝图，还促进了电子设备在高热流密度环境下的应用拓展。
此成果不仅在热管理技术领域具有深远影响，更为众多能源密集型领域的材料筛选开辟了新视野，激励着科研人员持续深耕材料设计与应用的创新之路，有力促进了科学与工程学科的交叉融合与协同发展。
Wu, K., Dou, Z., Deng, S. et al. Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01793-0
编辑 | 黄骏杰
审核 | 王 璟
宣传 | 谢蕴秋
来源丨科学10分钟
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