热界面材料（TIMs）广泛应用于电子元件散热领域，其主要作用为填充于芯片与热沉之间和热沉与散热器之间，以驱逐其中的空气[常温下导热系数仅为0.026W/（m·K）]，使芯片产生的热量能更快速地通过热界面材料传递到外部，达到降低工作温度、延长使用寿命的重要作用。

使用一种热导率高于空气的材料来填补接触面形成的空气间隙，从而提高传热效率，这就是所谓的热界面材料，图片参考资料1

热界面材料通常要求具备高导热性和高柔韧性，以确保其能有效填充接触面间隙并提高热传导效率，然而，这两个特性基本上是矛盾的，因为大多数高导热材料都是刚性的。为了解决这一矛盾，传统的热界面材料采用填充型复合材料：它由导热填料（例如金属粉体、BN、AIN）和高分子基体组成，其中高分子基体赋予复合材料易加工性和可塑性等，导热填料则负责体系的高效、及时地散发热量。

基体中导热填料的分布情况（a）“海岛”结构;（b）局部导热链条;（c）贯穿基体的导热路径，图片来源：参考资料1

“填充型复合材料”的填料分散在连续的聚合物基质中，只有在填料含量达到或超过临界值，聚合物基复合材料的导热性能才会有效改善。目前制备填充型TIMs材料面临两方面的困境：一方面，必须增加复合材料中的填料用量才能提高热导率；另一方面，填料过多会破坏聚合物基质的连续性，导致柔顺性下降，聚合物复合材料的适用性变差。当TIMs内部仅有单一填料时，即使在高填充条件下，颗粒间可能仍然有较多的空隙，这是限制TIMs导热性能的重要原因。将导热基体与具有不同形状、尺寸或者种类的导热填料相结合，通过填料分散以及填料堆积，在填料之间形成“桥接”的传热通道，可以使填料在TIMs中形成连续的导热路径。

单一填料（a）和（b）不同尺寸的混合填料的导热路径

液态金属（liquid metal，LM）例如镓、铟及其合金，在室温上下具有极好的流动性，因其柔韧性，不乏的导热系数（20~30W·m^-1·K^-1）和低热阻而受到越来越多的关注，但相较于氮化硼（250~300W·m^-1·K^-1），碳纳米管（2000~6 000W·m^-1·K^-1）等其他高导热填料，液态金属稍有逊色，即使高填充量的液态金属/聚合物热界面材料也达不到目前的电子部件的散热，但若将其作为辅助填料，以“液桥”的形式填料中架起利于声子传热的通道，液态金属的流动性可以在保证柔顺性的同时也能使聚合物基热界面材料热导率得到提升。

庞云嵩等[2]通过向聚二甲基硅氧烷（PDMS），铝体系中引入镓基液态金属，降低球形铝粉之间的接触热阻，提高了聚二甲基硅氧烷/铝的导热性能；同时，避免了高填料含量导致的柔顺性下降问题。制备的聚二甲基硅氧烷/铝/液态金属热界面材料导热系数达到4.25W·m^-1·K^-1，柔顺性能表现优异（断裂伸长率高达164.9%，杨氏模量仅为174kPa），与生物软体组织的力学性能类似。

Al/LM/PDMS热界面材料中LM以“液桥”的形式桥接Al的微观结构示意图（来源参考资料2）

李俊鸿等[4]采用液态金属（LM）作为辅助填料，填充球形氮化硼（SBN）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）热界面材料，LM与呈“岛”状分布和SBN桥接，使热界面材料具有较高的导热系数（4.00W·m^-1·K^-1，提高了128%）和优异的力学性能（断裂伸长率达到199%，提高了81%）。

参考资料：

[1]焦天明.热界面材料的连续导热路径的设计、构筑及性能研究[D].天津理工大学，2023

[2]庞云嵩，李俊鸿，杨敏，等.具有高柔顺性液态金属桥接铝粉基热界面材料[J].宁波工程学院学报，2024

[3]陈沛嘉，葛鑫，梁伟杰，等.聚合物基热界面材料与导热性能研究进展[J].化工进展，2022

[4]李俊鸿.基于聚合物基液态金属热界面材料的制备和性能研究[D].深圳大学，2023.

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