用于CPU散热的高效泡沫基热界面材料：功能化多壁碳纳米管的热性能建模与实验研究

为何让芯片保持低温与每个人息息相关

从游戏台式机到智能手机和数据中心，当今电子设备在更小空间内集成了比以往更多的计算能力。所有这些性能都会转化为热量，如果不能足够快地带走，性能会下降，元件也可能提前失效。本研究探讨了一种用轻质泡沫材料并辅以微小碳管来传导热量的新方法，旨在让未来设备运行得更快、更凉爽、更可靠。

芯片与散热器之间的热量新桥梁

在处理器与金属散热块之间有一层薄薄的材料，称为热界面材料（TIM）。其作用是填补微观缝隙，使热量能够从平整的芯片传导到散热片，再散到空气中。随着芯片温度升高，传统的导热膏和导热垫开始显得力不从心。本文提出一种由多乙烯缩醛（polyvinyl formal）海绵状塑料泡沫制成的TIM，并在其中混入多壁碳纳米管——微观、导热性极高的碳制中空柱。泡沫提供柔软、轻质和易于制造的优点，而碳纳米管则在层内为热流提供快速通道。

团队如何在工作计算机中测试该泡沫

为了验证这种新材料能否真正为处理器降温，研究团队既建立了计算机模型，也搭建了物理测试系统。他们使用专门软件模拟机箱内的气流和热传递，该软件求解流体运动和热传导的基本方程。仿真包括真实风格的配置：产生80瓦热功率的方形CPU芯片、薄薄的TIM层、带高鳍片的铝散热器以及吹过这些鳍片的风扇。在实验室中，他们用实际机箱、模拟工作CPU的加热块、风扇和散热片重现该场景，使用热电偶精确测温，同时改变泡沫垫的性质进行测试。

更多纳米管、更合适的接触形状和刚好足够薄的垫片

关键问题是哪些设计选择对CPU温度影响最大。首先，团队改变了泡沫中碳纳米管的含量。没有纳米管时，泡沫几乎无济于事，热量在芯片处堆积。随着纳米管含量增加，材料的导热性显著改善，在质量分数为4%的纳米管含量下，热量在垫片中更加均匀地扩散并传入散热器，使CPU温度显著降低。接着，他们考察了垫片的形状。圆形垫片会留下方形芯片的一些区域未被覆盖，形成瓶颈。与之相比，贴合芯片表面的方形垫片能实现更直接的接触，减少热阻，进一步降低芯片温度。

找到垫片厚度的最佳点

厚度被证明与成分和形状一样重要。研究者测试了从2毫米到15毫米的泡沫层。较厚的层使热量需要走更长路径，尽管内部含纳米管，仍会持续导致更高的CPU温度。较薄的层缩短了传热路径，并能更紧密地压在芯片与散热器之间，挤出作为绝缘体存在的微小气隙。最佳结果来自厚度为2毫米、含纳米管4%的方形垫片：在80瓦负载下，该配置可将CPU保持在约66.7摄氏度，比其他组合低几度，并明显优于不含纳米管的泡沫。

这对未来设备意味着什么

通俗地说，这项工作表明，一种简单的海绵状垫片，掺入微小碳管后，能够在发热芯片与其散热体之间形成高效的热桥。当纳米管含量、垫片形状和厚度都被恰当调节时，该泡沫TIM可以更安全地携带更多热量，使处理器在高负载下保持更低温度。由于该材料质轻、能耐较高温度且易于低成本制造，它为保持下一代计算机、服务器及其他电子设备在不发生过热的情况下平稳运行提供了有前景的途径。

引用: Ali, N., Anis, B. & Elhadary, M. Efficient foam-based thermal interface material functionalized with MWCNTs for CPU cooling applications: thermal performance modeling and Experimental studies. Sci Rep 16, 10799 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41260-5

关键词: CPU散热, 热界面材料, 碳纳米管泡沫, 电子设备热管理, 散热器设计