热界面材料在金属泡沫结构中的热阻特性研究综述

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热界面材料在金属泡沫结构中的热阻特性研究综述（DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119336）

一、研究背景
随着电子设备热流密度的不断提升，传统散热技术已难以满足高效热管理的需求。金属泡沫因其高比表面积、高导热性和低密度，被广泛应用于热交换器、电子散热器和储能系统中。然而，金属泡沫与基板之间的接触不完全会引入热接触阻力（Thermal Contact Resistance, TCR），显著降低整体热传导效率。
为改善接触性能，**热界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）**被引入金属泡沫与基板之间，用于填充空隙、增强热传导。本文系统研究了不同类型 TIM（薄膜型与垫片型）在不同压缩载荷和孔密度（PPI）条件下对金属泡沫热阻的影响，旨在为工程应用中选择合适的 TIM 提供实验依据。

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二、研究方法与实验设计
1. 样品制备与分类

• 金属泡沫：选用铜质开孔泡沫，孔密度分别为 20、40、60 PPI，厚度为 5 mm；
• TIM 材料：
  
  • 薄膜型（硬）：PGS（热解石墨膜）、T621（石墨片）、SFT90（陶瓷填充聚氨酯膜）；
  • 垫片型（软）：PC93（2 mm 厚）、PC94（1 mm 厚）；
    
• 结构配置：
  
  • Type 1：金属泡沫夹在 TIM 与铜板之间；
  • Type 2：两层金属泡沫通过 TIM 连接，模拟泡沫间热传导。
    

2. 测试方法

• 基于 ASTM D5470 标准，自主搭建热阻测试平台；
• 压缩载荷范围：0–60 N；
• 测量参数：热阻、压缩厚度、温度梯度；
• 表征手段：SEM、EDS、纳米压痕测试（硬度与弹性模量）；
• 实验重复性：每种样品测试 3 次，确保数据可靠性。
  

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三、主要研究结果
1. TIM 类型与性能对比

• PGS 薄膜因热导率最高、硬度适中，在大多数配置中表现出最低热阻；
• SFT90虽热导率较低，但因柔软性好，在高压缩下能与泡沫形成良好接触，热阻降低显著；
• PC94 垫片在泡沫填充、压缩适应性和热性能之间取得良好平衡，是垫片型 TIM 的最佳选择；
• PC93因厚度大、易泄漏，不适合小孔泡沫结构。
  

2. 压缩载荷与热阻关系

• 所有 TIM 在 0–60 N 载荷范围内，热阻随压缩力增加而降低；
• 在 30 N 载荷下，SFT90 热阻降低高达 62%，压缩厚度仅减少 1.5%；
• PC94 在相同条件下热阻降低 58%，厚度减少 16%；
• 无 TIM 样品热阻始终高于有 TIM 样品，但在高 PPI（60）时，差距缩小。
  

3. 金属泡沫 PPI 的影响

• 提高 PPI（孔密度）有助于增加接触点数量，降低热阻；
• 在 60 PPI 泡沫中，TIM 的热阻降低效果最显著；
• 对于低 PPI（20），泡沫骨架较粗，易穿透薄膜 TIM，导致局部失效；
• 高 PPI 结构更适合与柔软 TIM 配合使用，提升整体热传导性能。
  

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四、结论与工程建议
本研究系统评估了 TIM 在金属泡沫热接触中的性能表现，得出以下结论：

• TIM 可显著降低金属泡沫与基板之间的热阻，提升热传导效率；
• 薄膜型 TIM（如 PGS）适用于高导热需求场景，但需注意硬度匹配；
• 垫片型 TIM（如 PC94）更适合工程装配，具备良好的压缩适应性和热性能；
• 压缩载荷是优化热接触的关键参数，建议控制在 30–50 N 范围内；
• 金属泡沫孔密度越高，TIM 效果越明显，推荐 60 PPI 与柔软 TIM 配合使用；
• Type 1 配置（泡沫与基板间夹 TIM）优于 Type 2（泡沫间夹 TIM），更适合实际热管理应用。
  

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五、展望
未来研究可进一步探索：

• 多尺度模拟与实验结合，预测 TIM 在不同工况下的热行为；
• 开发新型高导热、低硬度 TIM 材料（如石墨烯/碳纳米管复合膜）；
• 研究 TIM 在长期热循环下的老化机制与可靠性；
• 结合机器学习优化 TIM 选型与结构设计方案。
  

随着热管理需求的不断增长，TIM 与金属泡沫的协同设计将成为高效热控制系统的重要发展方向。本研究为此提供了坚实的实验基础和理论支持。