随着电子器件向高性能、小型化发展，芯片功率密度提升带来的热管理问题成为制约器件稳定性的关键瓶颈。碳基高导热材料在面内热导率超过1500 W/m·K时，面外热导率普遍低于8 W/m·K，甚至只有4-5 W/m·K，难以满足高功率器件三维热传导需求。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧、何朋团队联合宁波大学王刚团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，提出以芳纶膜为前驱体通过高温石墨化工艺制备低缺陷、大晶粒、高取向的双向高导热石墨膜，在膜厚度达到40微米的情况下实现面内热导率Kin达到1754 W/m·K，面外热导率Kout突破14.2 W/m·K。

图1. 双向高导热石墨膜的导热性能及其在电子热管理中的应用

传统石墨膜制备以氧化石墨烯或聚酰亚胺为原料，面临气体逸散导致的结构缺陷难题。该研究提出选用芳纶膜作为前驱体，利用其低氧含量（~11%）和氮掺杂特性（氮含量~9%），在3000 ℃高温处理时实现缺陷自修复、晶粒定向生长及气体逸散优化。芳纶中氮原子促进晶格缺陷修复，退火后双向高导热石墨膜缺陷指标ID/IG低至0.008；芳纶分子中有序苯环为石墨晶格提供生长模板，使面内晶粒尺寸（La）达2179 nm、面外有序堆叠尺寸（Lc）达53 nm。双向高导热石墨膜通过结构调控展现出优异的双向导热性能：面内热导率1754 W/m·K，较同条件下氧化石墨烯衍生膜提升17%；面外热导率14.2 W/m·K，提升118%，突破碳基薄膜面外热导率瓶颈；乱层堆垛比例仅1.6%，接近理想石墨AB堆叠结构。与传统导热膜相比，双向高导热石墨膜在面内和面外热导率及缺陷控制上均表现出显著优势。在智能手机散热模拟中，搭载双向高导热石墨膜的芯片表面最高温度从52 ℃降至45 ℃；在2000 W/cm²热流密度的高功率芯片散热中，AGFs使芯片表面温差从50 ℃降至9 ℃，实现快速温度均匀化。

图2. 双向高导热石墨膜制备机制示意图

该研究揭示了芳纶前驱体在石墨膜制备中的独特优势，证明了氮掺杂与低氧含量前驱体可提升石墨膜结晶质量和双向导热特性，其双向导热性能突破可为5G芯片、功率半导体等高功率器件热管理提供关键材料和技术支撑。相关成果以“Bidirectionally High‐Thermally Conductive Graphite Films Derived from Aramid for Thermal Management in Electronics”为题发表于Advanced Functional Materials. 2025, 2425824.，论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生郑豪龙、杨舒景，研究获国家自然科学基金等项目支持。