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突破热管理瓶颈！芳纶基双向高导热石墨膜研究取得重大进展

文章来源：贤集网更新时间：2025-06-24 15:53:45

在电子科技飞速发展的今天，芯片性能提升与体积缩小并行，功率密度飙升导致热管理问题成为制约电子器件稳定运行的核心瓶颈。现有碳基高导热材料虽面内热导率出色，超过1500 W/m?K时，面外热导率却普遍低于8 W/m?K，最低仅4 - 5 W/m?K，难以满足高功率器件三维热传导需求。

就在行业发展陷入瓶颈之际，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧、何朋团队联合宁波大学王刚团队于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》发表的一项重磅研究成果，无疑为困境中的热管理技术领域带来了新的曙光。

该团队提出以芳纶膜为前驱体，通过高温石墨化工艺制备出低缺陷、大晶粒、高取向的双向高导热石墨膜，在膜厚度 40 微米的情况下，实现面内热导率 Kin 达到 1754 W/m?K，面外热导率 Kout 突破 14.2 W/m?K，成功突破了碳基薄膜面外热导率的瓶颈。

传统工艺遇困境，创新选材寻突破

传统石墨膜制备通常以氧化石墨烯或聚酰亚胺为原料，但在制备过程中，不可避免地面临气体逸散导致的结构缺陷难题。这些结构缺陷严重影响了石墨膜的热导率和整体性能，使得其在高功率器件热管理中的应用受限。

针对这一现状，联合研究团队大胆创新，选用芳纶膜作为前驱体。芳纶膜具有独特的化学特性，其低氧含量（——11%）和氮掺杂特性（氮含量——9%）成为制备高性能石墨膜的关键。在 3000℃的高温处理过程中，芳纶膜的这些特性发挥了重要作用，实现了缺陷自修复、晶粒定向生长及气体逸散优化。

其中，芳纶中的氮原子能够有效促进晶格缺陷的修复，经过退火处理后，制备出的双向高导热石墨膜缺陷指标 ID/IG 低至 0.008；而芳纶分子中有序排列的苯环则为石墨晶格的生长提供了理想的模板，促使面内晶粒尺寸（La）达到 2179 nm，面外有序堆叠尺寸（Lc）达到 53 nm ，从根本上解决了传统原料存在的缺陷问题，为制备高性能石墨膜奠定了基础。

双向导热显优势，性能突破创佳绩

通过对材料结构的巧妙调控，以芳纶膜为前驱体制备的双向高导热石墨膜展现出了优异的双向导热性能。在面内热导率方面，达到 1754 W/m?K，相较于同条件下氧化石墨烯衍生膜提升了 17%。

在面外热导率上的突破更为显著，达到 14.2 W/m?K，较传统碳基薄膜提升了 118%，彻底打破了碳基薄膜面外热导率的瓶颈。此外，该石墨膜的乱层堆垛比例仅为 1.6%，几乎接近理想石墨 AB 堆叠结构，这使得其在热传导过程中的效率大幅提高，热阻显著降低。

与传统导热膜相比，芳纶基双向高导热石墨膜在面内和面外热导率以及缺陷控制方面均展现出了压倒性优势。这种全方位的性能提升，使其在高功率器件热管理领域具备了更强的竞争力，为解决电子器件的热管理难题提供了新的有效途径。

模拟应用效果优，未来前景无限广

为了验证芳纶基双向高导热石墨膜的实际应用效果，研究团队进行了一系列模拟实验。在智能手机散热模拟中，搭载该石墨膜的芯片表面最高温度从 52℃大幅降至 45℃，有效缓解了芯片过热问题，提升了手机运行的稳定性和用户体验。

在更为严苛的 2000 W/cm² 热流密度的高功率芯片散热模拟中，该石墨膜同样表现出色，使芯片表面温差从 50℃骤降至 9℃，能够快速实现温度均匀化，确保高功率芯片在极端条件下也能稳定运行。

这项研究不仅揭示了芳纶前驱体在石墨膜制备中的独特优势，更重要的是证明了氮掺杂与低氧含量前驱体能够显著提升石墨膜的结晶质量和双向导热特性。

其在双向导热性能上的重大突破，为 5G 芯片、功率半导体等高功率器件的热管理提供了关键材料和技术支撑。随着相关技术的进一步完善和产业化推进，芳纶基双向高导热石墨膜有望广泛应用于电子、通信、航空航天等多个领域，为推动相关产业的发展和技术升级发挥重要作用。

该研究成果以 “Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics” 为题发表于《Advanced Functional Materials》（2025, 2425824，https://doi.org/10.1002/adfm.202425824）。论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生郑豪龙、杨舒景，研究得到了国家自然科学基金等项目的大力支持。这一成果的取得，是科研团队多年来不懈努力和创新探索的结果，也为未来热管理材料的研究和发展开辟了新的方向。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_578271.html
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