蘭州化物所突破電子設(shè)備“散熱防波”雙重難題

在5G通信、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的當下，電子設(shè)備正加速向微型化、高集成化、高頻化邁進。然而，這一進程帶來了兩大棘手問題：設(shè)備內(nèi)部熱量積聚引發(fā)性能衰減，電磁波干擾造成信號不穩(wěn)定。特別是在智能手機、可穿戴設(shè)備及航空航天電子等緊湊封裝場景中，傳統(tǒng)散熱與電磁波防護方案因空間占用大、材料協(xié)同差，難以滿足需求。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所于元烈研究員團隊成功研發(fā)出兼具高效熱管理與電磁波防護功能的新型復(fù)合材料，實現(xiàn)“一材雙能”的突破，相關(guān)論文發(fā)表于《先進陶瓷》。

現(xiàn)代電子設(shè)備性能提升高度依賴芯片集成度，可單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量劇增，導(dǎo)致功耗密度呈指數(shù)級上升。以智能手機為例，處理器峰值功率超10瓦，內(nèi)部散熱空間卻不足1立方厘米，熱量若不能及時導(dǎo)出，芯片就會降頻甚至燒毀。

同時，5G通信、Wi-Fi 6等高頻信號廣泛應(yīng)用，設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，電磁波干擾不僅會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，還可能危及醫(yī)療設(shè)備、航空電子等關(guān)鍵系統(tǒng)安全。傳統(tǒng)方案采用獨立散熱片與金屬屏蔽層組合，在緊湊封裝環(huán)境下，二者常因空間沖突難以協(xié)同，且金屬材料高密度特性限制了設(shè)備輕量化設(shè)計。

研究團隊將突破點放在六方氮化硼（h-BN）這種層狀材料上。它結(jié)構(gòu)與石墨相似，導(dǎo)熱性能優(yōu)異、電絕緣性好，化學(xué)穩(wěn)定性強、耐高溫氧化，是理想的散熱基材。但h-BN低介電常數(shù)和寬禁帶結(jié)構(gòu)使其對電磁波近乎“透明”，無法直接用于吸收或屏蔽。為攻克這一難題，團隊采取三大創(chuàng)新策略。

• 其一，利用金屬有機框架材料ZIF-67衍生的鈷納米顆粒作催化劑，在BNF表面誘導(dǎo)生長碳納米管（CNTs），構(gòu)建“管-片”橋連結(jié)構(gòu)。CNTs導(dǎo)電特性優(yōu)化了阻抗匹配，使入射電磁波在復(fù)合材料內(nèi)部多次反射衰減；橋連結(jié)構(gòu)則降低h-BN與聚合物基體間界面熱阻，復(fù)合材料熱導(dǎo)率較純PDMS提升近4倍，適用于5G基站等高頻高熱場景。

• 其二，開發(fā)了多尺度分級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。通過高溫自催化工藝，在碳纖維表面生長仿球菊狀氮化硼微米球，引入磁性鈷納米顆粒形成PC-BNS/CF@Co復(fù)合體系。該材料極低填充量下實現(xiàn)寬頻電磁波吸收，制備復(fù)合薄膜的屏蔽性能可達-55dB，還具備優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力。

• 其三，針對h-BN傳統(tǒng)化學(xué)改性工藝復(fù)雜、對環(huán)境負荷大的問題，提出機械力誘導(dǎo)活化策略。利用液態(tài)金屬特性，通過機械研磨工藝在BNF表面引入豐富界面極化中心和缺陷位點。優(yōu)化后的復(fù)合材料可制成柔性薄膜，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理及良好的阻燃性能，確保了材料在極端環(huán)境下運行的可靠性。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221208