一種用于定向垂直碳纖維基復合熱界面材料的制備技術

熱管理博覽會

2023年5月8日 08:48

來源 | Applied Surface Science

背景介紹

近幾十年來，電路板上的晶體管尺寸不斷減小，導致功率密度急劇增加，產生大量熱量，影響電子元件的性能和壽命。因此，如何有效地散熱和管理電子元件的發熱已成為現代電子工業的關鍵問題。具有優異的柔性和延展性的熱界面材料(TIM)通常用于連接電子元件和散熱器之間的間隙，以最小化電子元件與散熱器之間的接觸熱阻，并提高導熱性。但是，聚合物的固有導熱系數(Tc)非常低，這意味著聚合物不能滿足大功率電子元件散熱的高導熱要求。

為了提高材料的熱導率，通常在基體中引入具有高熱導率的導熱填料。碳纖維(CF)擁有沿一維(1D)方向的高導熱系數為1100 W/(mK)，被認為是制造高性能TIM的有前途的填料。然而，CF的導熱性是各向異性的，并且有報道稱，瀝青基的CF沿軸向的導熱系數大于1100 W/(mK)但沿徑向小于10 W/(mK)。隨機填充CFs制備的TIM沒有很好的導熱表現。

考慮各向異性CF的導熱性，取向是一種有效的策略要獲得高導熱性，目前定向的技術包括化學氣相沉積生長，磁場，三維(3D)打印，冷凍干燥，靜電紡絲和應力誘導等已經發展起來。然而，甚至在定向之后導熱系數仍然不理想，這可能是由于使用CF作為單獨的填料未能形成有效的熱傳導網絡。進一步添加額外的填充物是一種有效的策略。然而，大多數定向技術高度依賴于特定的儀器，難以大規模制備。因此開發出適合大規模生產的定向技術是非常重要的。

成果掠影

近期，河北工業大學鄧齊波教授，天津理工大學趙云峰教授和蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強團隊聯合在制備具有高導熱率的復合材料取得新進展。

文中提出了一種用各種定向CF制備TIM的簡便方法，這種方法的靈感來自于一個簡單的“搟餅”過程。本研究首次制備了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/短碳纖維(SCFs)/Al球形顆粒(PDMS/SCFs/Al)復合材料。不依賴于任何特定的儀器，利用便利的“搟餅”方法，將SCFs分別排列成水平(0?)，傾斜(45?)和垂直(90?)方向。

結果表明，垂直取向的SCFs與Al球形顆粒形成了有效的導熱-三維(3D)網絡，平面內測得的導熱系數高達10.46 W/(mK)，而通過穩態法測得的面內導熱系數為6.23 W/(mK)。采用有限元模擬方法研究了定向SCFs與Al球形顆粒復合材料的工作機理和導熱性能。

此外，利用紅外熱像儀觀察了復合材料在加熱和冷卻階段的表面溫度變化。當SCF-90作為裸模和筆記本電腦熱管之間的TIM時，溫度下降了16℃，表明SCF-90成功地實現了沿垂直定向碳纖維基三維網絡的高效傳熱。這項工作說明了使用SCFs制備高導熱3D網絡的前景，可用于未來電子設備的熱管理。

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

該成果是蘇州泰吉諾新材料有限公司在高性能熱界面材料產學研方面的一個縮影，泰吉諾將堅守企業責任，以客戶需求為導向，不斷在高性能熱界面材料領域開展前沿研究，為客戶提供性能更優良的原創產品。