来源：Advanced Functional Materials

链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508737

01 背景介绍

随着微电子设备朝着小型化、集成化和高功率密度发展，其产生的热量越来越多，过热问题不仅影响设备性能和寿命，甚至可能引发火灾，因此高效的热管理材料成为刚需。对于电子设备而言，良好的导热性能够迅速将芯片等发热部件产生的热量传导出去，避免热量积聚；而电绝缘性则是保障设备使用安全的重要前提，防止电流泄漏引发短路等故障。以往的材料往往在提升导热性时，电绝缘性能就会大打折扣，反之亦然，这一矛盾严重制约了微电子设备热管理技术的发展。

02 成果掠影

近日，西安交通大学宋建伟联合南方科技大学李一举利用ANF剥离和分散EG，制备了具有高导热性和电绝缘性的可扩展芳纶纳米纤维 / 膨胀石墨（ANF/EG）混合膜。在制备过程中，团队采用了 ANF 辅助剥离和分散 EG 的独特策略。在超声处理的作用下，ANF 如同一个个 “小助手”，将 EG 成功剥离，并通过强界面相互作用，即氢键和 π-π 相互作用，紧密地包裹在 EG 纳米片表面，最终形成了一种有序的层状结构。当 EG 含量达到 50 wt.% 时，这种混合膜展现出了惊人的性能。其面内导热系数高达 40.59 W/mK，相比传统聚合物基复合材料有了显著提升，能够高效地将热量传导出去。同时，令人惊喜的是，它的体积电阻率仍保持在 4.70×10⁹ Ω・cm，具备优异的电绝缘性，有效避免了漏电风险。在实际的微电子设备冷却实验中，ANF/EG 混合膜更是大展身手，能够将 CPU 温度降低 23℃，其出色的散热性能远超商用硅脂，为解决微电子设备过热问题提供了切实可行的方案。研究成果以“A Thermal Management Hybrid Membrane with Both High Thermal Conductivity and Electrical Insulation”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

03 图文导读

图1. a）ANF、EG和ANF/EG杂化膜的制备工艺示意图以及ANF/EG杂化膜具有高导热性和电绝缘性的机理。B）ANF/EG杂化膜在微电子器件和电子封装中的潜在应用。c）显示ANF/EG杂化膜、硅胶垫、PA基塑料、PEG@TPU/BNNS和NFC/CNT。

图2.a）ANF的TEM图像。B，c）通过热冲击获得的膨胀石墨的SEM图像。d）ANF/EG杂化膜的TEM图像。e，f）ANF/EG杂化膜的横截面SEM图像。g）ANF/EG膜在各种形式的弯曲，折叠，h）具有不同EG含量的ANF/EG杂化膜的拉伸强度i）ANF/EG杂化膜在水中浸泡30天后，在100 ℃下处理，j）ANF/EG杂化膜在100 °C、液氮、1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH中处理24 h之前和之后的光学图像。ANF/EG杂化膜的C1 s k）和N1s l）XPS光谱。

图3.a）具有不同EG含量的ANF/EG杂化膜的体积电阻率（红线表示电绝缘的标准（109 Ω·cm））. B）ANF/EG膜的电绝缘的示意图. c）ANF/EG杂化膜的尺寸变化和热膨胀系数（50 wt.%）在不同温度下的热扩散率。d）具有不同EG含量的ANF/EG杂化膜的面内热扩散率。e）具有不同EG含量的ANF/EG杂化膜的热导率。f）ANF/EG杂化膜的高热导率机理的示意图。g）ANF/EG杂化膜与其它导热和电绝缘材料的面内热导率的比较。h）ANF/EG杂化膜与先前工作中报道的其它纳米复合材料之间的极限强度和面内热导率的比较。

图4. a）热管理性能测试设置的示意图。将导热膜置于热源下，并通过红外摄像机测试热源的温度。B）使用PI、ANF和ANF/EG作为加热时间函数的热源红外热图像（50重量%）作为散热基板。d）在加热和冷却过程中，具有不同热管理材料的热源的温度演变。e）具有热管理材料的CPU冷却测试的数字照片。f）不同热管理材料的CPU温度随运行时间的变化。

图5. ANF膜a）和ANF/EG的照片B）ANF膜和ANF/EG的热释放速率曲线ANF膜和ANF/EG的TGA d）和DTG e）曲线大体积的可膨胀石墨f）和废弃的Kevlar织物g）。h）大规模ANF/EG浆料的数字图像（质量比1：1）。ANF在超声的辅助下可以将膨胀石墨剥离并分散在水溶液中。i）大尺寸（700 mm × 200 mm）ANF/EG杂化膜。

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