研究背景

随着电子设备的不断更新和高功率密度的增加，热管理问题愈发引起关注。热界面材料（TIMs）在提升热导率和降低接触热阻方面起着至关重要的作用，以确保电子设备的高效散热。然而，传统TIMs面临着多种挑战，如热导率不足、材料稳定性差以及在高温下的流动性受限，导致它们在实际应用中的效果大打折扣。

为此，液态金属（LM）因其优异的导热性能而成为研究的重点。液态金属的独特流动性和高热导率使其在TIMs的应用中展现出巨大潜力。然而，液态金属的高导热性与其他材料（如氮化铝）结合时，界面热阻却往往未能有效降低，限制了其性能的发挥。因此，如何优化液态金属与其他材料的界面接触，提高界面热传递效率，成为一个亟待解决的问题。

鉴于此，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授/吴凯副研究员、美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队合作在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels”的最新论文。本研究旨在开发一种新型胶态液态金属，通过优化液态金属与氮化铝的组合，解决传统TIMs在热导率和接触热阻方面的不足。我们通过系统的材料设计与制备过程，制备出具有梯度结构的胶态液态金属，并对其进行界面热性能测试。结果表明，该材料不仅在不同厚度下展现出低的界面热阻，同时在高温条件下仍能保持良好的流动性，为热管理领域提供了一种新的技术路径。通过这些创新，研究为实现高性能电子设备的有效冷却提供了重要的理论依据和实际应用潜力。    

研究亮点

1. 实验首次制备了一种新型胶态液态金属（LM），通过引入不同粒径的氮化铝（AlN）颗粒，优化了材料的热导率和触变性。

2. 采用机械化学和直接搅拌的方法合成了LM/AlN复合材料，研究表明该材料在不同厚度下展现出显著降低的界面热阻，尤其在高温条件下保持良好的流动性。

3. 通过TDTR和流变学测量，界面热阻（Reff）表现优于传统热界面材料（TIMs），并且材料的屈服应力和储存模量随着AlN颗粒浓度的增加而增强，显示出良好的热传导性能。

4. 研究结果揭示，胶态液态金属的微观结构与AlN颗粒之间的强相互作用，有效促进了界面热传递，推动了高性能电子产品等应用的发展。

图文解读

本文通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和扫描电子显微镜（SEM）等多种表征手段，揭示了胶态液态金属与AlN颗粒之间的相互作用及其微观结构特征。这些观察显示出AlN颗粒在液态金属中均匀分散，促进了界面热传导性能的提升。针对界面热阻的现象，通过微观机理分析，我们发现AlN颗粒与液态金属的结合能够有效降低热阻，进而挖掘出材料在高温应用中的潜力。

在此基础上，使用X射线光电子能谱（XPS）和能谱分析（EDS）对界面层的化学成分和厚度进行了详细表征，结果表明胶态液态金属在高温下仍能保持低的界面热阻。这一发现为热界面材料的设计提供了理论依据。通过流变学测量，研究了胶态液态金属的流动行为，发现随着AlN颗粒浓度的增加，材料的储存模量显著提升，屈服应力增加，进一步验证了其在高热流密度应用中的适用性。

图1：胶体LMs的概念和合成。  

图2：AlN-LM异质界面的调制。

图3：界面触变性和热传输。

图4: 用设备中的高通量散热。

结论展望  

本研究引入了一种新型胶态液态金属（LM），旨在同时解决热导率和最佳触变性在热界面材料（TIMs）中的挑战。这些胶态液态金属以梯度结构异质界面为特征，通过有效的固-液相互作用和在压缩时填充颗粒之间减少摩擦，实现高效的界面热传导。它们在各种薄层厚度下展现出低的界面热阻，有效缩小了现有TIMs与理论预测之间的差距，促进了千瓦级实际设备的冷却。这些材料有望在高性能电子产品、数据中心、航空航天、雷达探测和人工智能技术等能源密集型领域找到应用。   

文献信息：

Wu, K., Dou, Z., Deng, S. et al. Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels. Nat. Nanotechnol. (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41565-024-01793-0