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       随着电子设备向小型化、高功率化发展，热管理问题愈发关键。高分子复合材料因轻质、易加工等优势常用于热管理，但固有低导热性限制其应用。添加导热填料虽能提升导热系数，却面临界面热阻大、力学性能恶化等难题。聚（离子液体）（PIL）兼具离子液体特性与聚合物加工优势，液态金属（LM）、金刚石也因独特性能受关注，不过材料有效复合及协同作用发挥存在挑战。

       近日，中国科学院深圳先进技术研究院么依民副研究员在高导热、高柔韧性及高可靠性的热界面复合材料取得新进展。研究成果以“Synergistic Liquid Metal-Diamond-Reinforced Poly(ionic liquid) Composites for High Thermal Conductivity and Excellent Reliability”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。

       本研究提出了一种导热复合材料，该材料结合了聚（离子液体）（PIL）、聚（1-辛基-3-乙烯基咪唑）双（三氟甲磺酰基）酰亚胺 （P[OVIm]NTf 2）、液态金属 （LM） 和金刚石作为双重填料，总计 85 vol% 负载。该复合材料在钢基材上实现了 14.2 W(mK)的导热系数、74% 的拉伸伸长率和 0.99 MPa 的界面粘合强度。结构优化和界面工程有助于其卓越的机械柔韧性和可加工性，动态流变分析证实了这一点。

       在芯片封装测试中，该复合材料通过降低界面热阻来提高散热效率。金刚石掺入可防止 LM 氧化，在老化测试（-55至125 oC，300 次循环;150 oC，1000小时）后保持 99% 的表面覆盖率，并将性能下降降至最低。镀铬金刚石进一步提高了高湿度和高温下的可靠性。这种三元系统解决了高填料含量和热界面材料柔韧性之间的权衡。界面增强和协同稳定机制平衡了导热性与长期可靠性。这些发现促进了聚离子液体在热管理中的应用，为大功率电子产品提供了耐用的解决方案，尤其是在极端条件下。该研究建立了一个框架，用于设计具有优化性能和稳定性的高级TIM。

       图文导读

图1. 材料表征：(a) P[OVIm]NTf₂的化学式，(b) X射线光电子能谱（XPS）分析，(c) 展示柔韧性、拉伸性能和黏度的实物图，(d) 金刚石微粉的扫描电子显微镜（SEM）图像，(e) 镀铬金刚石微粉的扫描电子显微镜图像，以及(f) 镀铬金刚石的能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图。

图2. 复合材料表征：(a) P[OVIm]NTf₂/液态金属-金刚石黏弹性体的制备过程，(b) 液态金属与镀铬金刚石之间的界面相互作用机制，(c) 宏观柔韧性展示，(d) 复合材料的横截面扫描电子显微镜图像，(e) 液态金属桥接金刚石颗粒的示意图，以及(f) 镓（Ga）分布的能量色散X射线光谱（EDS）图谱。

图3. 力学性能表征：(a) 不同液态金属（LM）/金刚石含量下的应力-应变行为，(b) 弹性模量与液态金属含量的关系，(c) 韧性评估，(d) 与刚性颗粒复合材料的拉伸性能对比，(e) 拉伸性能基准测试，(f) 不同液态金属/金刚石配比样品的界面粘合强度分析，以及(g) 粘合性能的实物展示。

图4. 流变性能表征：(a - c) 不同液态金属/金刚石比例（1:1、1:2、1:3）下储能模量（G′）和损耗模量（G″）随温度的变化，(d - f) 相应比例下黏度随温度的变化曲线。

图5. 热性能评估：(a) 导热系数随液态金属/金刚石填料负载量的变化，(b) 与聚合物基热复合材料的性能对比，(c) 散热测试示意图，(d) 温度变化对比（与P[OVIm]NTf₂材料及无热界面材料情况相比），(e) 1500次热循环（加热 - 冷却循环）下的稳定性。

图6. 热稳定性和耐老化性能评估：(a) 不同液态金属（LM）和金刚石含量的P[OVIm]NTf₂/LM-金刚石黏弹性体在空气气氛下的热重分析（TGA）曲线；(b) 不同液态金属和金刚石含量的P[OVIm]NTf₂/LM-金刚石黏弹性体的差示扫描量热法（DSC）热谱图；(c) 夹层样品照片；(d) 冷热冲击老化测试过程中样品覆盖率的变化；(e) 高温存储老化测试过程中样品覆盖率的变化；(f) 高温高湿老化测试过程中样品膨胀率的变化。

图7. 环境可靠性评估：高加速应力潮态测试（HAST）覆盖率保持率（相对湿度85%，130°C，96小时）；冷热冲击测试（CHS，-55至125°C，300次循环）；高温存储测试（HTS，150°C，1000小时）下的尺寸稳定性 。