來源 | Nano-Micro Letters

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背景介紹

為實現我國2030年二氧化碳排放達峰和2060年碳中和的目標，包括電動汽車和混合瀝青基碳纖維具有優異的軸向導熱性能，如何使其軸向方向沿所需傳熱方向取向排布是制備滿足電子設備高效散熱需求的高導熱墊片的關鍵。雖然已有大量研究報道了各種方法來制備纖維取向的導熱復合材料，但是這些方法大多需要特殊的設備或者裁切后處理。本文提出了一種簡單、高效的俄羅斯方塊式堆砌工藝來取向碳纖維，經碳化處理后制備了三種不同取向方向的碳纖維定向骨架。浸漬硅橡膠后，所得制得的復合材料在纖維排列方向上展現出了優異的導熱性能，導熱系數最高達到45.01 Wm^-1K^-1。此外，基于碳纖維導熱性能的高各向異性，通過多次堆砌將不同取向方向的碳纖維進行組合，制備了魚骨狀的碳纖維骨架，實現了對傳熱路徑的調控。

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成果掠影

近期，四川大學吳宏教授和郭少云教授團隊利用碳纖維各向異性的抗磁性，以一種簡單、高效的俄羅斯方塊式堆砌工藝和碳化處理制備了三種的碳纖維定向骨架。該團隊通過調控碳纖維含量、磁場方向和初始堆砌密度，骨架的厚度（0.5-1 mm）和取向方向（水平、對角和垂直）均可調控。由于定向排布的碳纖維形成了高效的聲子傳輸通路，浸漬硅橡膠后所制得的復合材料在纖維排列方向上展現出了優異的導熱性能，導熱系數最高達到45W m?1K?1。此外，基于碳纖維導熱性能的高各向異性，通過多次堆砌將不同取向方向的碳纖維進行組合，制備了魚骨狀的碳纖維骨架，實現了對傳熱路徑的調控。這種厚度和方向可調、可浸漬任何基體的碳纖維骨架制備工藝為高導熱墊片的制備提供了新的思路。相關研究成果以“Tetris?Style Stacking Process to Tailor the Orientation of Carbon Fiber Scaffolds for Efficient Heat Dissipation”為題發表于《Nano-Micro Letters》。

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圖文導讀

圖1. 碳纖維定向骨架的制備過程示意圖。

圖2. 碳纖維骨架表面和截面的微距照片和SEM圖像。

圖3. (a) VCS-7/PDMS的照片和SEM圖像。

圖4. (a) 材料熱管理性能評估系統的示意圖；(b, c) 不同材料作為熱界面材料時加熱片表面溫度隨時間的變化和相應紅外熱成像圖像。

圖5. (a) 魚骨狀碳纖維骨架的形貌結構；(b) 傳熱路徑調控的驗證設計；(c) 情形I和情形II中加熱片溫度T?和銅片溫度TCu隨時間的變化；(d) 情形I和情形III中加熱片溫度T?隨時間的變化；(e) 情形III和情形IV中加熱片溫度T?和T?隨時間的變化。

圖6. (a) 情形I中Commercial thermal pad、FCS/PDMS和FCS/PDMS-P在加熱120 s后的表面溫度分布；(b, c) 基于不同結構的傳熱模擬和傳熱示意圖。

END

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