Scalable Compliant Graphene Fiber-Based Thermal Interface Material with Metal-Level Thermal Conductivity via Dual-Field Synergistic Alignment Engineering

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作者
Jiahao Lu,Xin Ming,Min Cao,Yingjun Liu,Bo Wang,Hang Shi,Yuanyuan Hao,Peijuan Zhang,Kaiwen Li,Lidan Wang,Peng Li,Weiwei Gao,Shengying Cai,Bin Sun,Zhong‐Zhen Yu,Zhen Xu,Chao Gao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (28): 18560-18571 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04349
摘要

High-performance thermal interface materials (TIMs) are highly desired for high-power electronic devices to accelerate heat dissipation. However, the inherent trade-off conflict between achieving high thermal conductivity and excellent compliance of filler-enhanced TIMs results in the unsatisfactory interfacial heat transfer efficiency of existing TIM solutions. Here, we report the graphene fiber (GF)-based elastic TIM with metal-level thermal conductivity via mechanical–electric dual-field synergistic alignment engineering. Compared with state-of-the-art carbon fiber (CF), GF features both superb high thermal conductivity of ∼1200 W m–1 K–1 and outstanding flexibility. Under dual-field synergistic alignment regulation, GFs are vertically aligned with excellent orientation (0.88) and high array density (33.5 mg cm–2), forming continuous thermally conductive pathways. Even at a low filler content of ∼17 wt %, GF-based TIM demonstrates extraordinarily high through-plane thermal conductivity of up to 82.4 W m–1 K–1, exceeding most CF-based TIMs and even comparable to commonly used soft indium foil. Benefiting from the low stiffness of GF, GF-based TIM shows a lower compressive modulus down to 0.57 MPa, an excellent resilience rate of 95% after compressive cycles, and diminished contact thermal resistance as low as 7.4 K mm2 W–1. Our results provide a superb paradigm for the directed assembly of thermally conductive and flexible GFs to achieve scalable and high-performance TIMs, overcoming the long-standing bottleneck of mechanical–thermal mismatch in TIM design.
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