随着人工智能、5G通信、高性能计算以及新能源汽车等技术快速发展，电子器件正不断向高功率密度、高集成度和小型化方向演进。芯片单位面积发热量持续攀升，散热问题已成为制约高性能电子器件稳定运行和服役寿命的重要瓶颈。

  近日，北京化工大学卢咏来教授、高洋洋教授/北京林业大学李京超副教授团队于Advanced Functional Materials发表题为“Mobile-Chain-Assisted Flow Alignment and Interfacial Adaptation Enable Elastomeric Thermal Interface Materials with High Through-Plane Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance”的研究成果。该研究开发了一种机动链辅助流动取向与界面适配策略，通过在交联硅橡胶网络中引入高分子量羟基功能化机动硅氧烷链，同时调控材料导热网络和热传输界面，构筑出兼具高垂直热导率、低接触热阻和优异机械可靠性的弹性体热界面材料。

【研究亮点】

  1.机动链辅助碳纤维流动取向，构建贯穿厚度方向的高效导热通路，材料垂直热导率达到54.7 W·m^-1·K^-1。

  2.机动羟基链增强界面润湿与适配，在仅1 psi压力下实现11.2 K·mm²·W^-1的低接触热阻。

  3.材料兼具优异压缩回弹、长期稳定性，并在实际电子器件散热测试中表现出优于商用TIM的热管理性能。

  热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）位于芯片与散热器之间，承担着构建高效热传输通道的重要作用。

  对于TIM而言，真正决定散热性能的是材料的总热阻。总热阻主要由两部分构成：一部分是材料内部的本征热阻，与材料厚度和垂直热导率有关；另一部分则是材料与芯片、散热器之间产生的接触热阻。传统研究通常通过增加高导热填料含量或者构筑定向导热网络来提高材料热导率，但当材料与散热界面之间仍存在大量微观空隙时，即使材料本身具有很高的热导率，热量依然会在界面处受到阻碍。此外，传统弹性体热界面材料通常具有永久化学交联网络，受限的分子链运动和界面重排能力使材料难以在低压力下充分填充散热界面的微观空隙，往往需要较高装配压力才能实现良好接触。

  因此，如何在构筑高效垂直导热通路、提升材料热导率的同时，进一步改善材料与散热界面的贴合与热传递，降低接触热阻，是高性能弹性体热界面材料亟需解决的关键问题。换句话说，如何实现高热导率与低接触热阻的协同，是提升热界面材料实际散热性能的核心挑战。

1. 机动链协同调控导热网络与界面接触，实现高效热传输

图1. (a) 传统热界面材料的示意图；(b) V-cSi/fSi-OH/CF热界面材料的示意图；(c) 复合材料的制备过程；(d) 采用超声切割机切割后的V-cSi/fSi-OH/CF热界面材料的光学照片；(e) 不同厚度V-cSi/fSi-OH/CF热界面材料的光学照片；(f) V-cSi/fSi-OH/CF热界面材料与商业热界面材料及文献报道的先进热界面材料的性能对比。

2. 机动链辅助流动取向，兼顾结构有序与机械可靠

图2. (a) 复合材料微观结构示意图；(b) cSi/CF 的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随剪切应力的变化；(c) cSi/fSi-OH/CF的储能模量（G′）和损耗模量（G″）随剪切应力的变化；(d) V-cSi/fSi-OH/CF的SAXS表征；(e) V-cSi/fSi-OH/CF的SEM图像；(f) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5在50%应变下循环100次的循环应力-应变曲线；(g) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5在85 ℃、85% RH 条件下老化1000 h后的压缩-回复曲线；(h) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5在150 ℃条件下老化1000 h后的压缩-回复曲线。

3. 垂直取向构筑高效导热通路，显著提升跨平面热传输

图3. (a) 不同填料含量V-cSi/fSi-OH/CF的热导率；(b) 不同填料含量V-cSi/fSi-OH/CF的面外热导率（λ_⊥）与面内热导率（λ_∥）之比；(c) 不同填料分布/取向条件下cSi/fSi-OH/CF的热导率；(d) 不同厚度V-cSi/fSi-OH/CF@55.5的热导率；(e) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5在不同温度下的热导率变化；(f) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5经高低温循环后的热导率变化；(g) 热界面材料传热性能测试系统示意图；(h) 不同填料分布条件下cSi/fSi-OH/CF的红外热成像图；(i) 不同填料分布条件下cSi/fSi-OH/CF的温度变化曲线。

4. 机动羟基链增强界面适配，实现低接触热阻

图4. (a) 不同复合材料在不同压力下的热阻；(b) 不同复合材料的SEM图像；(c) 不同复合材料模型与铝基底之间的模拟界面填充率；(d) 不同复合材料的分子模拟示意图；(e) 相同热源条件下不同复合材料的模拟传热效率；(f) 不同复合材料与铝基底界面的分子模拟截面图；(g) 不同复合材料模型与铝基底之间的模拟界面黏附强度；(h) 不同复合材料行为的机理示意图。

5. 高效界面传热赋能实际电子器件散热

图5. (a) 热界面材料（TIM）性能测试系统示意图；(b) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5与商业热界面材料（Thermal Grizzly Carbonaut）在不同功率密度（10-50 W·cm^-2）下加热器温度的对比；(c) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5与商业热界面材料（Thermal Grizzly Carbonaut）的热阻（R_t）与键合层厚度（BLT）之间的关系；(d) V-cSi/fSi-OH/CF@55.5在循环加热/冷却（20个循环）条件下的热稳定性测试；(e) 分别采用 V-cSi/CF@55.5、V-cSi/fSi/CF@55.5和V-cSi/fSi-OH/CF@55.5作为热界面材料的热管理系统稳态温度分布模拟；(f) CPU散热测试装置及组装过程的照片；(g) 所应用热界面材料的模拟有效热导率（λ_eff）和热阻（R_t）随加热器温度（T_heater）的变化；(h) CPU压力测试（CPU使用率100%）过程中CPU温度的变化。

  本研究通过“机动链辅助流动取向与界面适配”策略，实现了弹性体热界面材料内部高效导热通路构筑与界面热传输优化的协同调控。所制备的复合材料兼具高面外热导率、低接触热阻、低装配压力及良好的机械与热稳定性，为突破传统弹性体热界面材料高导热与低接触热阻难以兼顾的瓶颈提供了新的材料设计思路。该研究有望为高功率、高集成度芯片及先进电子器件的高效热管理提供新的材料解决方案。

【作者及团队】

  卢咏来，北京化工大学教授，博士生导师。2006年入选北京市科技新星，2012年入选教育部新世纪优秀人才，2020年获得国家级人才项目。主要研究方向为高分子导热热管理材料、特种/新概念轮胎技术、特种功能弹性体材料、低碳高分子防水材料。作为负责人承担国家级、省部级重点项目10余项，获得国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项，获首都劳动奖章。

  高洋洋，北京化工大学教授，博士生导师。2026年获得国家级青年人才项目。主要研究方向为高性能多功能高分子复合材料分子设计、结构与性能的多尺度模拟与机器学习研究。在ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等发表60余篇论文，主持多项国家/北京市自然科学基金项目以及重大项目专项课题。

  李京超，北京林业大学材料学院副教授，入选北京市“高创计划”青年人才托举工程。主要从事热功能高分子材料研究，主持国家自然科学基金面上/青年、北京市自然科学基金面上等10项，共计发表科研论文40余篇，以第一/通讯作者在Science Bulletin、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials，ACS nano，Nano Letters等期刊发表SCI论文30余篇，授权发明专利20余项，实现科技成果转化5项。

  鲁兆宇，北京化工大学在读博士研究生。

  原文信息：Zhaoyu Lu, Xiangyu Nie, Xin Zhang, Junyan Wang, Letian Zhou, Changshuai Chen, Zhenxu Nie, Junzhe Yang, Haoxiang Li, Junfeng Chu, Yangyang Gao, Jingchao Li, Yonglai Lu. Mobile-Chain-Assisted Flow Alignment and Interfacial Adaptation Enable Elastomeric Thermal Interface Materials with High through-Plane Thermal Conductivity and Low Contact Thermal Resistance. Advanced Functional Materials (2026): e78069.

  https://doi.org/10.1002/adfm.78069

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