研究进展
刘忠范院士团队/清华大学 Adv.Sci. | 基于FB-CVD法的蒙烯氧化铝粉体可控制备及其散热性能研究
日期：
2025-08-08 09:51
随着人工智能、6G通信和高性能计算芯片的加速迭代，电子器件的热功耗呈指数级增长，热管理瓶颈已成为制约下一代芯片可靠性和性能释放的关键难题。在这一背景下，具备超高导热率的碳基材料被寄予厚望，尤其是石墨烯。然而，如何将石墨烯的理论导热优势高效转化为实际应用效能，仍面临材料合成质量不稳、界面热阻高、复合分散困难等系列挑战。北京大学刘忠范院士、北京石墨烯研究院宋雨晴、孙秀彩研究员和清华大学曹炳阳教授团队针对“蒙烯氧化铝粉体”（Graphene-skinned Al2O3 powder）这一新型石墨烯复合粉体材料，发展了流化床化学气相沉积（FB-CVD）制备方法，结合理论计算探究了其热传输性能，并通过制备“蒙烯氧化铝粉体基热界面材料”（Graphene-skinned Al2O3 powder based TIM），为上述问题提供了新的工程化解法。
传统热界面材料（TIM）通常以聚合物基体搭配高导热填料构建三维导热网络，其中氧化铝（Al2O3）因其球形度高、分散性好、价格低廉而被广泛使用。但氧化铝的热导率（约30 W·m−1·K−1）仍难以满足高功耗电子芯片的散热需求。相比之下，石墨烯在面内方向上展现出高达3000–5000 W·m−1·K−1的理论热导率，成为提升TIM热性能的理想候选。但直接添加石墨烯会引发团聚、接触不良和加工粘度升高等问题，其性能增益较为有限。
此次研究的创新点在于：通过流化床化学气相沉积（FB-CVD）技术，在氧化铝颗粒表面原位沉积连续多层石墨烯蒙皮，实现石墨烯在氧化铝基底上的“共形生长”。这一“Graphene skin”形成“声子高速通道”（Phonon Expressway），大幅提升了热传导效率。该研究解决了传统复合材料系统中的两个关键挑战，在保持工业氧化铝粉末已有的加工兼容性，同时有效抑制聚合物基质内石墨烯片层的重新堆叠等现象。与传统的传统静态CVD方法相比，FB-CVD 工艺在三个关键方面展现出显著优势：其沉积石墨烯层的晶体质量更高，通过优化气固相互作用提高热传输效率，以及具备可扩展的生产能力，以实现大规模应用。
图1. 蒙烯氧化铝粉体基热界面材料制备过程示意图。
研究团队通过调控CH₄/H₂/Ar三种气体在1100°C条件下的流量比例及流化参数，在5–70 μm不同粒径的氧化铝颗粒上成功生长了厚度可调、致密连续、层数可控的石墨烯包覆层。多批次实验验证表明，该工艺不仅能够实现高一致性的石墨烯质量控制，还可通过粒径级配策略（5:40:70 μm合理配比）提升填料紧密堆积度至95.3%，从而进一步优化复合材料热性能。
图2. 蒙烯氧化铝粉体材料的结构和质量表征。
为了揭示石墨烯在热传导中的作用，研究团队借助机器学习与非平衡分子动力学（NEMD）方法，对Gr/Gr、Gr/Al₂O₃、Al₂O₃/Al₂O₃等典型界面的声子耦合和界面热导率进行了系统模拟。结果表明，Gr/Gr界面的热导率高达12.2 GW·m⁻²·K⁻¹，远超Al₂O₃/Al₂O₃界面，显示出明显的层间高效传热优势。石墨烯蒙皮能够在复合系统内部建立一个丰富的热传递网络，保持了其出色的平面内热传导性能的同时，也利用了石墨烯层间的高热传递效率。
ANSYS仿真进一步验证了石墨烯蒙皮形成了优先的热传导路径。研究人员通过分析堆叠颗粒的热传递行为，发现石墨烯层内的热通量比Al₂O₃ 粉体内的热通量高出一个数量级以上，这表明与堆叠颗粒接触的石墨烯层形成了一个连续的高速热传导通道，进一步证实其在复合体系中承担“主导传热骨架”的作用。
图3. 蒙烯氧化铝粉体材料的热传导特性。
在实际应用层面，研究人员将蒙烯氧化铝填料引入硅基聚合物中，通过工业成熟的双行星搅拌、真空除泡和热压延工艺，制备出厚度为1.0 mm、表面平整的大尺寸热界面材料样品（20×40 cm）。经过ASTM D5470标准测试，蒙烯氧化铝粉体基TIM的导热率达6.44 W·m⁻¹·K⁻¹，显著优于传统氧化铝基TIM（4.35 W·m⁻¹·K⁻¹），同时在50 W LED测试中可实现芯片表面温度下降17.7°C，并在500次热循环中表现出<3%的性能衰减，具备良好的热稳定性与结构可靠性。
图4. 蒙烯氧化铝粉体基热界面材料的热传导特性。
从实验室工艺优化到理论机制揭示，再到实际器件验证与工业化加工工艺适配，这项研究不仅展示了石墨烯在散热材料领域的实用化潜力，也提出了一种“蒙烯粉体材料”的可控制备方法。未来，随着AI芯片、激光器、功率模块等高热流密度应用场景的拓展，蒙烯陶瓷粉体复合材料有望成为构建新一代热管理解决方案的新范式。
DOI: 10.1002/advs.202503388
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