一种用于定向垂直碳纤维基复合热界面材料的制备技术

来源 | Applied Surface Science

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背景介绍

近几十年来，电路板上的晶体管尺寸不断减小，导致功率密度急剧增加，产生大量热量，影响电子元件的性能和寿命。因此，如何有效地散热和管理电子元件的发热已成为现代电子工业的关键问题。具有优异的柔性和延展性的热界面材料(TIM)通常用于连接电子元件和散热器之间的间隙，以最小化电子元件与散热器之间的接触热阻，并提高导热性。但是，聚合物的固有导热系数(Tc)非常低，这意味着聚合物不能满足大功率电子元件散热的高导热要求。

为了提高材料的热导率，通常在基体中引入具有高热导率的导热填料。碳纤维(CF)拥有沿一维(1D)方向的高导热系数为1100 W/(mK)，被认为是制造高性能TIM的有前途的填料。然而，CF的导热性是各向异性的，并且有报道称，沥青基的CF沿轴向的导热系数大于1100 W/(mK)但沿径向小于10 W/(mK)。随机填充CFs制备的TIM没有很好的导热表现。

考虑各向异性CF的导热性，取向是一种有效的策略要获得高导热性，目前定向的技术包括化学气相沉积生长，磁场，三维(3D)打印，冷冻干燥，静电纺丝和应力诱导等已经发展起来。然而，甚至在定向之后导热系数仍然不理想，这可能是由于使用CF作为单独的填料未能形成有效的热传导网络。进一步添加额外的填充物是一种有效的策略。然而，大多数定向技术高度依赖于特定的仪器，难以大规模制备。因此开发出适合大规模生产的定向技术是非常重要的。

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成果掠影

近期，

河北工业大学邓齐波教授，天津理工大学赵云峰教授和苏州泰吉诺新材料有限公司李兆强团队联合在制备具有高导热率的复合材料取得新进展。

文中提出了一种用各种定向CF制备TIM的简便方法，这种方法的灵感来自于一个简单的“擀饼”过程。本研究首次制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/短碳纤维(SCFs)/Al球形颗粒(PDMS/SCFs/Al)复合材料。不依赖于任何特定的仪器，利用便利的“擀饼”方法，将SCFs分别排列成水平(0◦)，倾斜(45◦)和垂直(90◦)方向。结果表明，垂直取向的SCFs与Al球形颗粒形成了有效的导热-三维(3D)网络，平面内测得的导热系数高达10.46 W/(mK)，而通过稳态法测得的面内导热系数为6.23 W/(mK)。采用有限元模拟方法研究了定向SCFs与Al球形颗粒复合材料的工作机理和导热性能。此外，利用红外热像仪观察了复合材料在加热和冷却阶段的表面温度变化。当SCF-90作为裸模和笔记本电脑热管之间的TIM时，温度下降了16℃，表明SCF-90成功地实现了沿垂直定向碳纤维基三维网络的高效传热。这项工作说明了使用SCFs制备高导热3D网络的前景，可用于未来电子设备的热管理。

研究成果以“Pie-rolling-inspired construction of vertical carbon fiber high thermal conductivity hybrid networks”为题发表于《Applied Surface Science》。

该成果是苏州泰吉诺新材料有限公司在高性能热界面材料产学研方面的一个缩影，泰吉诺将坚守企业责任，以客户需求为导向，不断在高性能热界面材料领域开展前沿研究，为客户提供性能更优良的原创产品。

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图文导读

图1.定向技术以及材料制备工艺示意图。

 

图2.复合材料的XRD图谱。

 

图3.不同倍数的SCF-random的SEM图像。

 

图4.不同角度（0◦，45◦和90◦）复合材料的SEM和EDS图像。

图5.不同条件下复合材料的热导率变化以及本文热导率和相关文献对比。

 

图6.SCF-0, SCF-45, SCF-90 和 SCF-only-90的有限元分析。

 

图7.复合材料SCF-0和SCF-90的热管理性能对比。

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审核编辑 黄宇