《高效散热应用用复合材料研究》

   许斌 讲师

   日本东京大学

演讲摘要：

随着电子技术的快速发展，散热材料不仅需要具备高导热性能，还需要具有适当的机械顺应性。为满足这一需求，我们开发了以铜为基体、以金刚石和石墨为增强材料的复合材料，并通过界面工程和热传导路径设计两种互补策略来提升散热性能。

对于铜/金刚石复合材料而言，主要挑战在于铜与金刚石之间界面结合较弱以及振动态密度（vDOS）匹配不佳，从而导致较低的界面热边界导热系数（TBC）。我们引入自组装单分子层（SAM）作为可控界面层，并利用时域热反射技术（TDTR）在平面 Cu/SAM/金刚石模型中研究其厚度、结合强度等界面特性。研究结果表明，对于高度失配体系而言，提高振动态密度重叠程度比单纯增强界面结合强度更有利于提升热边界导热性能。在此基础上，我们优化了 SAM 结构，并将其应用于采用等离子烧结工艺制备的铜/金刚石复合材料中。最终获得的复合材料导热系数达到 711 W·m⁻¹·K⁻¹，在采用相近尺寸和体积分数金刚石填料的相关研究中达到领先水平。

作为一种成本更低的替代方案，我们还研究了石墨/铜复合材料。虽然石墨具有优异的面内导热性能，但其较低的厚度方向导热性能限制了其在散热器中的应用。为克服这种各向异性问题，我们设计了三维石墨结构以实现高效导热。有限元分析表明，由两个 c 轴相互垂直的石墨块组成的“双层结构”是最优设计方案。该结构采用高温工艺制备，并利用含 1 wt% Cr 的铜微粒中间层实现石墨块之间的连接。激光闪射法测试和器件级测试结果表明，该复合材料能够实现近似各向同性散热，其性能相当于导热系数达到 900 W·m⁻¹·K⁻¹ 的各向同性导热材料。

上述研究表明，界面工程与热传导路径设计是开发高性能散热复合材料的有效策略，不仅提供了重要的基础科学认识，也为先进热管理技术提供了切实可行的解决方案。

演讲人简介：

许斌于2018年获得东北大学电气工程博士学位。目前任职于东京大学，担任讲师，研究方向主要为热能工程。其研究工作涵盖电子器件热管理、基于声子工程策略的热电能量收集技术，以及低维材料体系中声子输运的基础物理机制。相关研究成果发表于 Science Advances、Advanced Functional Materials 和 Acta Materialia 等国际知名学术期刊。此外，他还获得了多项学术荣誉，包括 Outstanding Young Researcher Award、日本传热学会（Heat Transfer Society of Japan）Young Researcher Award，以及 FNTG Society Osawa Young Researcher Award 等。