三明治结构柔性热界面材料横空出世，热阻低至0.23 mm²K/W，引领柔性电子散热新时代

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三明治结构柔性热界面材料横空出世，热阻低至0.23 mm²K/W，引领柔性电子散热新时代（DOI: 10.1002/smll.202207015）

导语：
随着柔性电子、可穿戴设备和软体机器人等新兴技术的快速发展，传统刚性、厚重的热界面材料（TIM）已无法满足高功率、柔性化和微型化系统的散热需求。近日，卡内基梅隆大学研究团队开发出一种三明治结构柔性热界面材料，通过铜纳米线阵列+3D石墨烯+金属包覆层的创新设计，实现了极低热阻（~0.23 mm²K/W）与高柔性的完美结合，为下一代柔性电子热管理提供了突破性解决方案。

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一、研究背景：柔性电子的“热瓶颈”
热界面材料是连接芯片与散热器之间的“热桥梁”，其性能直接影响电子设备的稳定性与寿命。传统TIM如焊料虽导热性好，但刚性大、易开裂；聚合物基TIM虽柔性好，却导热性能差。在柔性电子和软体机器人等应用中，TIM不仅需要高导热性，还必须具备良好的机械顺应性和可靠性，这对材料设计提出了巨大挑战。

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二、创新设计：三明治结构实现“柔”与“热”的统一
本研究提出一种三明治结构柔性TIM，其核心结构包括：


✅ 1. 铜纳米线阵列：高导热+高柔性

• 直径约150 nm，长度约20 μm；
• 热导率达 65.3 W/(m·K)；
• 高纵横比带来良好柔性，可适应表面微观不平。
  

✅ 2. 3D石墨烯包覆：导热+防护双重提升

• 通过低温PECVD工艺在CuNW表面生长厚层3D石墨烯；
• 热导率提升 60%，达到 105 W/(m·K)；
• 形成疏水表面，防止铜氧化和锡浸润；
• 实现金属-石墨烯协同导热。
  

✅ 3. 铜包覆层：降低接触电阻，提升集成性

• 上下铜层通过电镀形成，确保与CuNW/3DG之间良好接触；
• 表面可镀锡，便于与芯片/散热器**；
• 有效阻止锡在装配过程中的渗透，保持结构完整。
  

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三、性能表征：FDTR技术精准测量热性能为
准确评估该三明治结构的热性能，研究团队采用频域热反射（FDTR）技术，这是一种非接触、高灵敏度的热测量方法，适用于多层薄膜结构。
🔍 关键测量结果：

• 总热阻：~0.23 mm²K/W，比传统焊料低一个数量级；
• 界面热导率：高达 9.81×10⁸ W/(m²·K)；
• 热导率提升显著：3DG包覆后CuNW热导率提升60%；
• 结构稳定性强：经离子抛光+金层处理后，表面平整、信号清晰。
  

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四、制造流程：自下而上的精密构筑
该材料的制备过程高度可控，主要步骤包括：

• 电化学沉积：在AAO模板中沉积CuNW；
• 模板去除：湿法蚀刻释放CuNW阵列；
• 3D石墨烯包覆：低温PECVD生长石墨烯；
• 铜层电镀：上下铜层包覆，形成三明治结构；
• 表面处理：离子抛光+镀金，适配FDTR测试；
• 集成准备：表面镀锡，便于与器件键合。
  

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五、应用前景：柔性电子热管理的“终极TIM”
该三明治TIM具备以下显著优势：

✅ 适用场景广泛：

• 柔性电子：如可穿戴传感器、折叠屏手机；
• 软体机器人：需要柔性热通道的驱动器与控制系统；
• 高功率芯片：如5G通信模块、LED阵列、功率放大器；
• 微型器件：如MEMS、微传感器、植入式医疗设备。
  

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六、结语：柔性热管理的新标杆
本研究通过结构创新+材料协同+精密制造，成功突破了柔性TIM“导热与柔性不可兼得”的传统瓶颈。所开发的三明治结构不仅实现了极低热阻和高柔性的统一，还具备良好的集成性和可靠性，为未来柔性电子、软体机器人等领域的热管理提供了切实可行的解决方案。