多尺度模拟与实验研究：侧链液晶PDMS中热导率增强机制

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《Applied Thermal Engineering》：Multiscale simulation and experimental investigation on the thermal conductivity enhancement mechanism in side-chain liquid crystal PDMS

【字体：大中小】 时间：2026年09月05日 来源：Applied Thermal Engineering 7.5

编辑推荐：

　　 • 将联苯介晶体嫁接到PDMS上可以提高其固有的热导率。 • POM、XRD和DSC证实了介晶

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将联苯介晶体嫁接到PDMS上可以提高其固有的热导率。
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POM、XRD和DSC证实了介晶相和具有更高介晶含量的有序结构。
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多尺度框架将分子设计、模拟和实验联系起来。
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FEA量化了基体导电性在复合材料热性能中的作用。

引言

通过先进的工艺节点追求更大的AI计算能力意味着集成电路中的功率密度增加，这给电子热管理解决方案带来了前所未有的压力[1]、[2]。由于冷却组件中热阻的串联排列，芯片-散热器接合处的界面热阻至关重要[3]。不良的热接触可能导致设备内部严重的热量积累，从而导致运行频率受限和寿命缩短。因此，开发高效的热接口技术已成为当务之急[4]。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）在工业中作为一种广泛使用的热接口材料（TIM），用于减轻不良的热接触。这种材料具有诸如低弹性模量、优异的适应性/粘附性、电绝缘性和长期可靠性等优势，所有这些都有助于填补固体界面之间的微观间隙[5]、[6]、[7]。然而，聚合物固有的无序结构——表现为链缠结、自由端和空隙——会导致显著的声子散射[8]。这导致其固有的热导率非常低，通常在0.1–0.2 W/(m·K)的范围内，严重限制了PDMS作为热接口材料的性能[9]。

公共的策略是将导热填料——如金属[10]、陶瓷[11]、[12]或低维材料[13]、[14]、[15]——加入PDMS基体中，形成复合TIMs，当填料 loading超过渗透阈值时，就能建立连续的热传导网络[8]。然而，高填料加载下的界面热阻以及基体固有的低导电性严重限制了复合材料的整体热性能[16]。此外，高填料含量通常会严重损害PDMS的机械性能，如其适应性和弹性[17]、[18]，从而限制了基于PDMS的TIMs的更广泛应用[18]。

因此，大量的研究工作转向开发具有高固有热导率的聚合物。基本策略是在材料内部创建有序、对齐的微观结构，以促进高效的热传导[9]、[19]。外部对齐方法，如机械拉伸或电/磁场定向，通常与热固性聚合物不兼容[20]、[21]。最近的分子动力学模拟[22]、[23]、[24]和实验研究[25]表明，增强分子间链相互作用可以显著提高交联聚合物的热导率。Islam等人[26]为液晶环氧树脂开发了一种线性固化策略，最大限度地保留了液晶结构，并获得了0.48 W/(m·K)的热导率。Song等人[27]通过降低固化温度将液晶环氧膜的热导率提高到1.16 W/(m·K)，促进了球晶形态的充分发展。这个值是传统环氧树脂的3.5到5.3倍。然而，这个领域的大多数研究都集中在基于环氧树脂的系统上，其中过量的刚性结构的引入往往会损害材料的灵活性，限制了其在柔性电子产品中的热管理应用[22]、[23]。因此，开发液晶改性的PDMS成为高性能TIMs的一个有前景的方向。

基于将介晶单元引入聚硅氧烷的既定策略，本研究使用了一种双乙烯基联苯介晶体（CLM）作为介晶组分和交联剂，从而简化了SCLC-PDMS的配方和制备。其主要贡献是对介晶诱导的有序性如何影响分子、材料、设备和复合尺度上的热传导进行了综合评估。在得到的PDMS网络中，刚性的联苯单元促进了π–π相互作用和分段填充，而柔性的硅氧烷主链保持了其弹性。通过POM、XRD、DSC和FTIR对合成样品的液晶性质、相行为和结构信息进行了表征，这些结果共同证实了CLM和SCLC-PDMS薄膜的成功形成。稳态热测量显示，增加的介晶含量通过增强的微观取向有效抑制了声子散射，从而使SCLC-PDMS1的平面内热导率从0.206 W/(m·K)稳步上升到SCLC-PDMS5的0.305 W/(m·K)。相应的样品在LED芯片加热测试中也展示了有效的表面温度抑制效果。随后的非平衡分子动力学（NEMD）模拟进一步阐明了介晶的微观接枝密度与宏观热导率之间的相关性。结合这种分子尺度的视角，有限元分析（FEA）量化了高导电性基体提供的有效热导率增益。通过将分子设计与基于ASTM D5470的热测量、设备级LED冷却测试、NEMD模拟和复合尺度FEA相结合，本研究将介晶诱导的分子有序性与与电子热管理相关的热过程和工程应用联系起来。

节摘

材料

4,4′-二羟基联苯和6-溴-1-己烯从Bide Pharmatech（中国上海）有限公司购买；聚（甲基氢硅氧烷）（PMHS）的活性Si

H基团含量为1.1 mmol/g（Andisil? XL-11），Karstedt催化剂（Andisil? Pt，3000 ppm）和抑制剂（2827-186 L）从Ambiase Specialty Silicones（中国上海）有限公司购买；碳酸钾和碘化钾从Aladdin Bio-Chem Technology（中国上海）有限公司购买；丙酮和二甲苯...