近日，材料学院能量转化与热控制团队在热界面材料设计和高性能散热表面构筑方面取得系列研究进展。相关研究成果发表于《Advanced Functional Materials》和《Chemical Engineering Journal》等期刊。
成果1：垂直石墨烯阵列界面互锁构建兼具高导热与低接触热阻的热界面材料
界面热阻是限制电子器件散热效率的重要瓶颈。针对传统热界面材料高导热性与力学柔顺性难以兼顾的问题，研究团队以石墨烯纸为高导热骨架，通过PECVD技术在其表面构筑垂直石墨烯阵列，并进一步与PDMS复合，成功研制出具有界面互锁结构的VGPP复合热界面材料。在该结构中，垂直取向石墨烯纸提供高效的面外导热通路，表面垂直石墨烯阵列则通过机械互锁作用显著增强石墨烯与聚合物之间的界面结合，同时促进热量在界面区域的均匀扩散。实验结果表明，所制备VGPP复合材料的面外热导率达到621.4 W m-1K-1，压缩模量为8.2 MPa，兼具金属级导热能力和聚合物级柔顺性。材料界面剥离强度提高至166.67 kPa，接触热阻低至41.7 mm2K W-1。在LED器件散热测试中，其散热能力较商用热垫大幅提升，可有效降低芯片工作温度。
图1 VGPP TIMs兼具超高导热与低界面热阻，显著提升电子器件散热能力
该成果以“Mechanically interlocked graphene architectures for enhanced thermal conductivity and reduced thermal contact resistance”为题发表于《Chemical Engineering Journal》531 (2026) 174363。材料与能源学院为第一完成单位，赵强副教授为第一作者，基础院张永起研究员为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174363
成果2：机械穿孔诱导声子桥构建高可靠石墨烯纸复合热界面材料
层间热阻和界面失效是制约石墨烯纸热界面材料性能提升的关键问题。针对石墨烯纸层间结合薄弱以及聚合物渗透不均匀等问题，研究团队提出机械穿孔—堆叠—切割制备策略。利用微针阵列对石墨烯纸进行机械穿孔，在孔边形成翻卷的石墨烯尾翼结构。随后环氧树脂渗入穿孔区域形成树脂铆钉，并与石墨烯尾翼共同构建层间“声子桥”结构。该结构不仅有效增强了层间界面结合，还建立了连续高效的声子传输通道，同时抑制了石墨烯堆叠过程中的团聚现象。实验结果表明，优化样品的面外热导率达到456 W m-1K-1，总热阻低至0.23 K cm2W-1，压缩模量仅为4.8 MPa。在10000次热冲击循环以及8小时连续高功率运行后，材料仍保持稳定性能。在CPU实际应用测试中，优化样品较商用热垫可显著降低处理器工作温度。在模拟散热风扇失效条件下，可将处理器开始降频的时间延后约220秒，显著提高系统运行可靠性和容错能力。
图2 打破了传统TIMs导热性能与机械顺应性“顾此失彼”的博弈，实现了高热导率与优异界面顺应性的协同优化，填补了该领域的部分空白
该成果以“Phonon-Bridge Engineering in Vertically Aligned Graphene Paper Composites Enables Efficient and Reliable Thermal Interface Materials”为题发表于《Advanced Functional Materials》2026, 36: e74794。材料与能源学院为第一完成单位，硕士研究生张钦栋为第一作者，赵强副教授为通讯作者。
文章连接：https://doi.org/10.1002/adfm.74794
成果3：分级金属—氧化物结构实现辐射与对流协同强化被动散热
热量向环境释放能力不足是高效被动散热面临的关键挑战。针对传统金属表面红外发射率低、空气换热效率有限等问题，团队提出分级金属—氧化物复合结构策略。利用氢气泡模板电沉积构筑三维多孔铜骨架，并通过可控氧化原位生长纳米氧化铜，形成微米多孔铜网络/纳米氧化铜阵列分级结构。微米多孔结构增大换热面积并强化空气对流换热，纳米氧化铜结构通过光捕获与多重反射提高红外发射率，增强热辐射能力。两者协同实现辐射与对流散热同步强化。实验结果表明，所构筑的分级结构表面发射率提高至0.95以上。在自然对流条件下，可使热源温度降低18℃以上。在强制空气流动条件下，总换热系数提高约23%。研究进一步揭示了辐射散热与对流散热协同增强的作用机制，为高性能被动散热表面的设计提供了新的思路。
图3 多尺度复合架构协同强化辐射与对流，实现CPU动态高负荷下的显著稳定降温
该成果以“Hierarchical metal–oxide composite architectures for enhanced coupled radiative and convective heat dissipation”为题发表于《Chemical Engineering Journal》547 (2026) 181401。材料与能源学院为第一完成单位，赵强副教授为第一作者/通讯作者，集电学院张继华教授为共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.181401
上述三项研究分别围绕界面导热强化、层间热传输调控以及表面散热增强等关键科学问题展开，通过构筑垂直石墨烯阵列、声子桥网络以及分级金属—氧化物结构，实现了热量传输、热量扩散和热量释放等过程的协同优化。相关成果为高功率电子器件热管理、高效被动散热以及先进能源系统热控制提供了新的材料设计思路和技术方案。以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省科技计划等项目的支持。
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