東華大學朱美芳院士團隊AM：打破液態金屬熱界面材料導熱-絕緣性能權衡

隨著人工智能大模型等技術的飛速發展，數據中心和機器人系統的能耗預計到2026年將超過1000 TWh，其中約40%用于冷卻系統。高效熱管理已成為全球性關鍵挑戰，熱界面材料在電子元件散熱中發揮著核心作用。當前主流熱界面材料主要采用導電金屬或陶瓷填料（如Al、Zn、Al?O?、ZnO、AlN）分散于絕緣聚合物基體中，正逼近其性能極限。知名商用產品如漢高BERGQUIST LIQUI FORM TLF 10000和萊爾德Tputty 910的熱導率僅約10 Wm?1K?1，難以滿足下一代系統的散熱需求。液態金屬基熱界面材料因具有優異的熱導率（約26.4 Wm?1K?1）和流動性而成為有前景的替代方案，但其面臨一個根本性挑戰：液態金屬主要通過自由電子運動傳導熱量，這同時賦予其高導電性，導致熱導率與電絕緣性之間存在嚴重的權衡關系。此前最先進的技術雖然實現了約6.70 Wm?1K?1的熱導率，卻犧牲了電阻率（僅約6.76×10? Ω·cm），而非滲流致密化技術雖將電阻率提升至10? Ω·cm，但熱導率卻降至僅4.20 Wm?1K?1，遠不能滿足先進熱管理應用的需求。

東華大學朱美芳院士團隊王剛研究員、孫恒達研究員和中國科學院福建物質結構研究所林悅研究員合作，提出了一種界面工程策略，通過精準調控液態金屬顆粒的界面張力，合成了具有雙峰粒徑分布結構的GaIn-B熱界面材料。該材料中較小液態金屬顆粒有效填充大顆粒間隙，同時保持電絕緣，形成非接觸網絡，在防止電滲流的同時維持高效熱傳輸。GaIn-B實現了約16 Wm?1K?1的顯著熱導率和超過1011 Ω·cm的電阻率，相比傳統均勻分散的液態金屬熱界面材料（GaIn-U）熱導率提升了300%。研究團隊基于有效介質理論建立了唯象模型，定量描述并預測了打破熱電權衡的關鍵條件。該材料合成工藝簡便且可規模化，可實現公斤級生產，極具工業應用潛力。相關論文以“Breaking Thermal Conductivity–Electrical Resistivity Trade-Off in Liquid Metal–Based Thermal Interface Materials via Interface Engineering”為題，發表在Advanced Materials上。

圖1 液態金屬基熱界面材料的性能與對比。 （a）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和漢高TLF 6000在應用熱阻（Reff）、接觸熱阻（Rc）、體熱阻（Rb）、擊穿強度、觸變性和熱導率（TCcom）方面的對比分析。（b）GaIn-B雙峰結構示意圖。（c）GaIn-U單峰結構示意圖。（d）GaIn-B、商用Tputty 910、GaIn-U和漢高TLF 6000的粘接層厚度評估。此處Rb（單位：Km2W?1）表示指定壓力下熱界面材料的理論熱阻，按Rb = BLT / TCcom計算，其中BLT為給定壓力和溫度下的粘接層厚度。接觸熱阻Rc由應用熱阻Reff與Rb之差獲得，Reff依照ASTM D5470標準使用熱阻測試儀測量。所有測量均在20 psi壓力和60℃熱端溫度條件下進行。（e）GaIn-B和GaIn-U與先前報道基準的熱導率和電阻率交叉對比。圖中數字標識對應表S2中的條目。

結構與性能綜合分析

研究發現，GaIn-B熱界面材料具有雙峰粒徑分布和絕緣隔離堆疊結構，通過合成過程中利用表面改性劑調控液態金屬液滴的界面張力實現。在合成中，研究團隊首先將共晶鎵銦合金液態金屬與3-巰丙基三甲氧基硅烷（KH 590）混合攪拌（圖2a），傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜證實KH 590有效鍵合于液態金屬的自然氧化表面，形成聚硅氧烷包裹層。隨后加入硅油繼續攪拌，聚硅氧烷包裹的液態金屬表面與硅油之間界面張力僅為32±1 mNm?1，促進小液態金屬顆粒形成，而未修飾液態金屬表面與硅油的界面張力高達442±47 mNm?1，利于大液態金屬顆粒形成。在25℃靜置21天后，未反應的KH 590進一步與液態金屬反應形成SH-聚硅氧烷封裝結構，同時游離KH 590聚合為巰基-多面體低聚硅倍半氧烷結構，進一步增強了電絕緣性能。X射線光電子能譜（圖2b）、核磁共振（圖2c，在-68.5和-58.3 ppm處顯示兩個不同峰，比例約為1:1，分別對應SH-聚硅氧烷網絡和SH-POSS）、小角X射線散射、差示掃描量熱法和熱重分析等表征手段證實了聚硅氧烷層的存在及其結構穩定性，包裹層厚度約為5.23 nm，作為關鍵的絕緣屏障促進了非接觸網絡的形成。

雙峰粒徑分布的形成機制可通過Kolmogorov理論闡明。在不相溶液體分散體系中，液滴在流動應力下變形，只有當破壞性粘性或慣性力超過界面張力提供的恢復力時液滴才會破碎，較低的界面張力降低了破碎所需能量壁壘，從而促進更小液滴的形成。研究團隊通過調整KH 590濃度控制連續基質相的粘度，進而調控大顆粒和小顆粒尺寸。當KH 590體積分數從2 vol%增至10 vol%時，連續相動態粘度從284.90 mPa·s降至16.37 mPa·s，大顆粒粒徑相應地從6.79 μm增至80.63 μm（圖2d）。基于雙峰粒徑分布模型和掃描電子顯微鏡測量的顆粒尺寸與基于界面張力數據的Kolmogorov理論預測高度一致。納米計算機斷層掃描進一步確認了清晰的粒徑雙峰分布特征，在含6 vol% KH 590的樣品中，大顆粒平均尺寸為22.50±8.79 μm，小顆粒平均尺寸為3.60±1.14 μm，小液態金屬顆粒均勻填充于大顆粒間的間隙中（圖2e）。這種獨特結構有效降低了低熱導率絕緣層厚度，優化了熱傳輸性能。

圖1a的系統性能對比表明，GaIn-B在應用熱阻（Reff）、接觸熱阻（Rc）、體熱阻（Rb）、擊穿強度和觸變性等方面均展現出優異性能。GaIn-B的應用熱阻Reff低至0.29 KmW?1，遠低于GaIn-U的2.16 KmW?1，同時接觸熱阻Rc和體熱阻Rb也顯著降低，擊穿強度達5.03 kVmm?1（圖1a）。圖1d的粘接層厚度評估進一步顯示，GaIn-B在相同壓力和溫度條件下的BLT顯著優于商用Tputty 910、GaIn-U和漢高TLF 6000，這得益于其優異的流動性和雙峰結構的緊密堆積特性，進一步降低了應用熱阻。能量色散X射線光譜面分布圖譜表明（圖2i、2j），GaIn-B中液態金屬顆粒均勻封裝于聚硅氧烷層內，硅元素富集于液態金屬顆粒表面，同時硫元素存在于界面/晶界區域。這種封裝很可能是由-SH基團與液態金屬顆粒表面Ga?O?之間的非共價相互作用實現，有效隔離了液態金屬顆粒，防止了導電滲流通道的形成。相比之下，GaIn-U缺乏這種封裝（圖2h），聚硅氧烷對液態金屬顆粒表面的覆蓋不足，顆粒間存在歐姆接觸和融合風險。在80.30 vol%的液態金屬填充量下，雙峰分布結構將硅油絕緣層厚度降至0.15 μm，相比GaIn-U的0.42 μm減少了約65%，大幅縮短了低熱導傳輸路徑長度。

圖2 GaIn-B中雙峰隔離堆疊結構的結構與成分分析。 （a）GaIn-B合成過程示意圖。（b）GaIn-B和KH 590的XPS分析。（c）GaIn-B的2?Si NMR表征，在-68.5和-58.3 ppm處顯示兩個不同峰，比例約為1:1，分別對應SH-聚硅氧烷網絡和SH-POSS。（d）不同KH 590比例下通過Kolmogorov理論基于界面張力得出的平均粒徑與GaIn-B的SEM和Nano-CT測量值的比較。（e）GaIn-B中大小顆粒的粒徑分布（KH 590比例為6 vol%），插圖為Nano-CT成像（比例尺：50 μm）。（f）GaIn-B和GaIn-U的溫度依賴性熱導率。（g）GaIn-B和GaIn-U溫度依賴性電阻率的阿倫尼烏斯分析。（h）GaIn-U的EDX譜圖顯示明顯的單峰分布（液態金屬球體：藍色；比例尺：7.5 μm）。（i）GaIn-B的EDX譜圖顯示雙峰顆粒分布（大球體：黃色；小球體：紫色；聚硅氧烷基體：青色；比例尺：7.5 μm）。（j）GaIn-B的SEM和EDX面分布圖譜（比例尺：200 μm）。

熱電性能與理論模型

GaIn-B同時實現了高熱導率和高電阻率的卓越性能。其熱導率約16 Wm?1K?1，且隨溫度升高至155℃時進一步提升至18.44 Wm?1K?1（圖2f），源于界面區域熱阻隨溫度升高而降低。通過阿倫尼烏斯型關系分析溫度依賴的絕緣行為（圖2g），GaIn-B在整個溫度范圍內保持更高的電阻率并呈現更顯著的線性關系，表明其電荷傳輸主要由界面勢壘主導，KH 590衍生的聚硅氧烷絕緣層增加了電子傳輸勢壘并抑制了熱激活漏電通道的形成，展現出優異的高溫絕緣保持能力。

為理解GaIn-B同時實現高熱導率和高電阻率的性能（圖1e），研究團隊在有效介質理論框架內建立了雙峰粒徑分布模型（圖3a）。該模型將GaIn-B視為包含體相區和界面區兩部分，體相區包含大液態金屬顆粒，界面區由小液態金屬顆粒和基體組成。圖3b展示了不同KH 590比例下GaIn-B的熱導率和電阻率實測值，隨著KH 590含量從2 vol%增至10 vol%，熱導率先升后降，在6 vol%時達到最優值，而電阻率則隨KH 590含量增加持續上升，反映了界面絕緣層增厚對電性能的貢獻與對熱性能的權衡影響。通過聯立熱導率和電阻率方程，模型預測優化組分（6 vol% KH 590、13.70 vol%硅油、80.30 vol%液態金屬）中小顆粒平均尺寸為2.74 μm、體積分數為7.30%（圖3c），與實驗測量的3.60 μm吻合良好，存在輕微偏差但在實驗誤差范圍內。模型還給出了不同KH 590比例下的絕緣層厚度計算結果（圖3d）。與串聯、并聯、Bruggeman和Maxwell-Garnett模型相比（圖3f、3g），雙峰粒徑分布模型與實驗測量的熱導率和電阻率結果更為接近（圖3e），驗證了其預測能力。該模型可有效確定獲得目標熱學和電學性能的最優顆粒尺寸和體積分數。研究團隊進一步制備了含銅和鋁填料的導熱硅脂進行驗證，實驗結果與模型預測合理吻合，證明了模型的普適性。需要注意的是，銅導熱硅脂的實驗值（2.14 Wm?1K?1）略高于理論預測值（1.21 Wm?1K?1），而電阻率實驗值（4.65×1011 Ω·cm）低于理論值（8.08×1011 Ω·cm），這種偏差源于復合材料中可能存在的部分滲流現象，即少量導電通路的部分形成增強了熱傳導但同時降低了電絕緣性，這一現象在理論模型中未完全考慮。固態銅填料在總填充量超過71.88 vol%時會喪失流動性，而液態金屬填料可提升至83.71 vol%仍保持優異流動性，充分展示了液態金屬相對傳統固態填料的優勢。

圖3 預測具有雙峰顆粒分布結構的非滲流熱界面材料熱導率和電阻率的唯象模型。 （a）GaIn-B中液態金屬液滴分布的模擬圖，展示分散的小顆粒位于大顆粒之間，從而防止任何液態金屬液滴的直接接觸。（b）不同KH 590比例下GaIn-B的測量熱導率和電阻率。（c）通過雙峰粒徑分布模型求解得到的不同KH 590比例下的d_SLM和vol_SLM計算值。（d）雙峰粒徑分布模型得到的不同KH 590比例對應的d_SO計算值。（e）GaIn-B（含6 vol% KH 590、13.70 vol%硅油和80.30 vol%液態金屬）的實驗測量熱導率和電阻率與雙峰粒徑分布模型理論計算值的比較。（f）GaIn-B實驗測量熱導率和（g）電阻率與雙峰粒徑分布模型、Bruggeman、Maxwell-Garnett、串聯和并聯模型預測值的比較。

規模化生產與應用展示

GaIn-B合成工藝的簡便性和可擴展性使其在實驗室條件下即可實現公斤級生產，單批次2.5 kg產品（圖4a）可滿足15000個5 W LED模塊、5000部智能手機或50套1000 W探照燈的熱管理需求。GaIn-B在寬剪切速率范圍內表現出優異的觸變性，隨KH 590含量增加儲能模量和屈服應力顯著降低、流動性增強，適合工業化規模制造。利用直寫技術可將GaIn-B圖案化于印刷電路板、芯片和散熱器等基材上，超景深顯微鏡顯示均勻的點陣單元平均高度約800 μm（圖4b），展現出優異的加工穩定性。封裝聚硅氧烷層有效抑制了鎵的擴散，顯著改善了鎵基液態金屬在水環境中易脫合金化導致體積膨脹和斷裂以及對鋁、錫、銅等金屬的腐蝕問題。在85℃、85%相對濕度環境下老化240小時后，鋁板EDX分析未發現鎵擴散或腐蝕跡象，而純液態金屬在相同條件下表現出明顯腐蝕性。GaIn-B在125℃高溫條件下經過1000小時評估后熱阻和電阻率保持穩定，在超過10000次熱沖擊循環（開啟1分鐘，關閉2分鐘）后仍保持優異熱管理能力（圖4c）。

在被動散熱性能對比中，涂覆GaIn-B的大功率MOSFET模塊平均殼溫比使用商用導熱硅脂的模塊分別低8.2℃和8.0℃。將GaIn-B注入Ecoflex硅橡膠制備的扭曲條帶在恒定130℃熱源下展現出高效熱擴散能力，而純硅橡膠條帶則出現熱量積聚（圖4d），突顯了GaIn-B在柔性和可穿戴電子產品中的應用潛力。KH 590功能化使GaIn-B相較于GaIn-U具有更強的界面粘附力（圖4e），優異封裝性能使其可直接集成于電子主板，將發熱元件工作溫度從53.5℃降至46.1℃（圖4f）。在大功率逆變器模塊實驗中（圖4g），輸入380 V、54.4 A（總功率20672 W，功率密度287.1 Wcm?2）條件下運行30分鐘后，GaIn-B冷卻的IGBT芯片結溫穩定在70.0℃，而商用導熱硅脂（萊爾德Tputty 910）冷卻的芯片結溫為74.0℃（圖4h、4i），顯著的溫度降低證明了GaIn-B在有限熱交換條件下的優越散熱能力。

圖4 GaIn-B（KH 590比例為6 vol%）作為熱界面材料的應用。 （a）GaIn-B以2500 g批量大規模生產，可單次用于15000個LED單元、5000部智能手機或50臺大功率探照燈；（b）GaIn-B的打印能力（比例尺：1.5 cm）：直徑5 mm的GaIn-B點陣展示均勻分布厚度小于1000 μm；（c）LED陣列熱管理示意圖，GaIn-B在6887 Wm?2的LED陣列中經歷10000次溫度循環測試（開啟1分鐘，關閉2分鐘）；（d）純硅橡膠（右）和摻入GaIn-B的硅橡膠（左）以增強熱導率的照片和紅外成像（比例尺：7.5 cm；直方圖均衡化顏色分布）；（e）GaIn-B的共形性和粘附性（左，比例尺：1.5 mm，左面板比例尺：400 μm；右面板比例尺：150 μm）。GaIn-B和GaIn-U的剪切應力-應變曲線（右）；（f）運行過程中有無GaIn-B封裝的母板紅外熱像圖；（g）GaIn-B高度適用于大功率逆變器上IGBT的熱管理；（h）總功率20672.0 W、功率密度287.1 Wcm?2條件下使用GaIn-B與商用熱界面材料（萊爾德Tputty 910）的逆變器IGBT紅外成像對比；（i）總功率20672.0 W、功率密度287.1 Wcm?2條件下使用GaIn-B與商用熱界面材料（萊爾德Tputty 910）的大功率逆變器內部芯片結溫對比。

總結與展望

本研究在熱界面材料領域取得了重要突破，通過合成具有雙峰粒徑分布結構的GaIn-B，成功克服了液態金屬基熱界面材料中熱導率與電絕緣性之間的長期權衡難題。其卓越性能源于對液態金屬界面張力的精準調控以及聚硅氧烷層的封裝保護，在維持高熱導率的同時有效防止了電滲流。關鍵概念創新在于首次在液態復合材料中實現了穩定的雙峰粒徑分布——相比傳統固態復合材料中可便捷控制并固定的顆粒堆積，液態體系中分散相具有流動性，會持續變形、融合和重組，而表面能調控策略為控制這一動態行為并在液態金屬復合材料中穩定雙峰分布提供了有效方案。研究團隊建立的雙峰粒徑分布模型為高性能熱界面材料的理性設計提供了有用框架。GaIn-B的合成工藝簡便且可規模化生產，極具工業應用潛力。該材料不僅可滿足先進電子系統熱管理需求，還通過界面工程和粒徑分布調控實現多重功能特性的協同優化，其應用范圍可擴展至人工智能驅動機器人、柔性電子和可穿戴設備等新興技術領域，為面向下一代系統復雜需求的功能復合材料設計開辟了新途徑。