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Through-Thickness Vertically Aligned Graphene-Fiber Thermal Interface Materials with Thermal Conductivity Approaching the Parallel-Model Estimate and Low Thermal Contact Resistance

材料科学 热导率 热接触电导 界面热阻 复合材料 聚二甲基硅氧烷 热阻 散热膏 热传导 热的 接触电阻 体积分数 石墨烯 图层(电子) 接触面积 聚合物 热接触 粘弹性 压力(语言学) 分子动力学 纳米复合材料 电导率 热透过率 传热
作者
Xin Zhang,Junzhe Yang,Zhaoyu Lu,Letian Zhou,Junyan Wang,Zhiyuan Ma,Junfeng Chu,Haoxiang Li,Jingchao Li,Xi Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (31): 43149-43161
标识
DOI:10.1021/acsami.6c10738
摘要

Conventional elastomer-based thermal interface materials (E-TIMs) are constrained by the trade-off between high thermal conductivity and low thermal contact resistance, limiting their use in high-power chip cooling. We developed a vitrimer-enabled, through-thickness vertically aligned graphene-fiber E-TIM that addresses this limitation by combining vertically continuous heat-conduction pathways with an adaptive polymer interface. Continuous graphene fibers were mechanically aligned, infiltrated with a β-hydroxy ester vitrimer-based polydimethylsiloxane matrix, and assembled through stacking-welding to form dense, continuous heat-transport pathways along the thickness direction. At a graphene-fiber volume fraction of only 16.71 vol %, the E-TIM achieves an ultrahigh through-plane thermal conductivity of 160.2 W m-1 K-1, approaching the parallel-model estimate, indicating efficient translation of the axial thermal conductivity of GFs into macroscopic through-plane heat transport. Thermally activated transesterification in the vitrimer matrix enables stress relaxation, layer welding, and interfacial morphological reconstruction, reducing the thermal contact resistance to 14.4 mm2 K W-1 under 40 psi. Molecular dynamics simulations further suggest that vitrimer-induced interfacial reconstruction increases the effective contact area and interfacial thermal conductance beyond conventional viscoelastic creep. In a device-level cooling demonstration, the E-TIM outperforms a commercial E-TIM by lowering the steady-state heat-source temperature by 20.8 °C, highlighting its strong potential for high-power chip thermal management.
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