六方氮化硼与液态金属协同增强的氧化铝基柔性热界面材料：突破导热瓶颈的创新策略

为解决传统Al2 O3 基热界面材料(TIMs)因填料间“点对点”干接触导致的高界面热阻问题，研究人员通过六方氮化硼(h-BN)和液态金属(LM)的协同作用，设计出兼具“面-面”接触和“液-固”界面的杂化填料体系。该TIMs的贯穿平面热导率达7.2 W m?1 K?1 ，较纯Al2 O3 提升133%，且保持5.6×1011 Ω cm高体积电阻率，为高功率电子器件热管理提供新方案。

　　

随着电子器件向微型化、高功率密度发展，热管理成为制约性能的关键瓶颈。传统氧化铝(Al₂
O₃
)基热界面材料(TIMs)虽成本低廉且绝缘性好，但其球形填料间“点对点”的干接触模式导致极高的界面热阻，使复合材料导热性能远低于Al₂
O₃
本征值(～32 W m^?1
K^?1
)。如何突破这一“导热天花板”，成为学术界与工业界共同关注的难题。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队在《Journal of Materials Science》发表论文，创新性地将六方氮化硼(h-BN)和镓铟共晶液态金属(EGaIn)引入Al₂
O₃
填料体系，通过机械化学研磨和垂直压缩工艺，构建出具有三重优势的杂化网络：h-BN形成高度取向的“面-面”接触，液态金属填充纳米空隙形成“液-固”界面，同时h-BN的定向排列构建高效附加导热通路。

研究采用机械化学研磨法实现液态金属在Al₂
O₃
表面的均匀锚定，通过垂直压缩促使30 μm大尺寸h-BN片层定向排列。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，优化配方为50 wt% Al₂
O₃
、20 wt% h-BN和10 wt% LM的复合材料展现出突破性性能。

Results and discussion

1. 液态金属改性机制：机械研磨使EGaIn在Al₂
   O₃
   表面形成纳米级涂层，通过形成Ga-O化学键实现稳定锚定，接触角从138°降至0°，实现完全润湿。
2. 多尺度界面设计：h-BN片层在压缩过程中紧密包覆LM修饰的Al₂
   O₃
   ，形成“三明治”结构，界面接触面积提升约17倍。
3. 导热性能突破：复合材料的贯穿平面热导率达7.2±0.30 W m^?1
   K^?1
   ，较纯Al₂
   O₃
   体系提升133%，冷却效率为商用导热垫的1.67倍。
4. 电绝缘保持：体积电阻率保持5.6×10¹¹
   Ω cm，介电常数(2.15@10⁶
   Hz)和损耗因子(0.0058@10⁶
   Hz)满足高频电子应用需求。

Conclusions
该研究通过“填料杂化-界面调控-结构取向”三位一体策略，成功解决了Al₂
O₃
基TIMs的导热瓶颈问题。h-BN的尺寸匹配设计(30 μm)避免了传统纳米填料易失取向的缺陷，LM的界面润湿效应与h-BN的定向导热通路形成协同增强。这种“一石三鸟”的设计理念为开发下一代高性能TIMs提供了普适性方法，对5G基站、人工智能芯片等高端电子器件的热管理具有重要应用价值。