Developing graphene oxide@In-Bi alloy composite via layer-by-layer strategy 

achieving efficient heat dissipation towards thermal interfacial applications

基于逐层策略构建的氧化石墨烯-铟铋合金热界面复合材料

作者信息：

Yifan Li ^a, Junhui Fan ^a, Changqing Liu ^b, Dahai Zhu ^a, Chen Jiang ^a, Wei Yu ^a

a School of Energy and Materials, Shanghai Polytechnic University, Shanghai, 201209, 

China

b School of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang, 

Hunan, 422001, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100010

文章介绍：

热界面材料(TIMs)在电子和光电器件的散热与热管理中发挥着关键作用。随着器件持续微型化和功率密度不断提高，界面高效热传导对保障性能、可靠性和使用寿命变得至关重要。TIMs作为发热部件与散热器之间的桥梁，能有效引导热量从关键区域转移。

从材料学角度看，传统TIMs主要分为固体型、膏状型和液体型三类。固体TIMs通常具有高机械强度和稳定性，即使在高压力下也能保持形状，其抗流动和挥发性使其适用于高温高功率场景，但存在界面热阻大、对接触压力和表面平整度要求严格等缺点，主要包括金属片(铜/铝)、陶瓷片和导热硅胶垫等。膏状TIMs能有效填充微观间隙，增大接触面积从而提高传热效率，且易于涂覆组装，但长期使用可能因液体成分挥发导致性能下降，常见有碳基和金属基导热膏。液体TIMs可填充更微小间隙，显著提升接触面积和传热效率，但存在挥发性问题，典型代表包括导热硅油、导热脂和液态金属(镓/铟)等。各类TIMs各具优势，需根据具体散热需求、预算和空间限制进行选择。

近年来，兼具相变与导热特性的相变热界面材料(PCTIMs)成为电子器件散热研究热点。常温下保持固态以确保机械强度，高温时发生相变实现充分界面接触，从而显著提升传热效率。目前研究主要集中在三大类：Zhou等采用石蜡@SiO2纳米胶囊与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合，建立了CPU散热物理模型，揭示了胶囊熔点和焓值对芯片温升的影响规律；Zhao等将短碳纤维垂直排布于硅橡胶/石蜡基体中，制备出热导率7.00 W/(m·K)、相变过程热阻降低54.4%的定型相变垫；他们还尝试将低熔点合金(62.5Ga21.5In16Sn)与膨胀石墨复合，获得热导率26.94 W/(m·K)、热阻低至0.42 K·cm2/W的相变垫，其强制对流冷却效率较商业产品提升36.78%。这些研究代表了当前主流PCTIMs类型：微胶囊相变材料、纳米复合膜和液态金属基相变材料，但分别存在制备工艺复杂、热导率偏低或易泄漏等问题，如何通过材料组分设计和界面工程协同优化热导性、柔韧性和防漏性仍是研究重点和挑战。

本研究采用逐层策略在氧化石墨烯(GO)薄膜表面均匀涂覆液态In-Bi合金，制备出导热复合薄膜。表面张力驱使液态合金在GO表面形成稳定薄层：常温下薄膜呈固态，合金涂层作为粘附层增强机械柔韧性；作为TIM使用时，In-Bi合金液化填充界面微隙，有效降低接触热阻。该复合材料制备工艺简单，兼具优良柔韧性、高导热性(测试值XX W/(m·K))和防泄漏特性，实际散热测试表明其作为TIM具有卓越的散热性能(较传统材料提升XX%)，展现出广阔的商业化应用前景。

中文摘要：

我们开发出一种兼具柔韧性、防泄漏特性和高效界面传热能力的氧化石墨烯（GO）@铟铋合金复合材料。该材料采用逐层组装策略制备，专为热界面材料（TIMs）应用而设计。通过引入高导热液态金属，GO薄膜的面外导热系数提升至1.35 W/(m·K)，同时将接触热阻降至0.47 °C·cm²/W。在高温环境下，铟铋合金发生相变填充粗糙界面间隙，促进界面润湿从而提升传热效率。此外，基于表面张力效应，液态合金可均匀包覆GO表面，使复合薄膜具备优异机械性能并确保卓越的防渗漏特性。本研究为制备高导热、低接触热阻的柔性液态合金复合材料提供了新思路，为热界面材料的合成开辟了新视角。