一種用于電子器件熱管理的相變復(fù)合材料

來源|Chemical Engineering Journal

原文 |

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142402

01

背景介紹

隨著集成電路小型化、高功率的快速發(fā)展，熱管理已成為電子器件的重要問題之一。然而，實現(xiàn)有效的熱管理是非常具有挑戰(zhàn)性的。因為電子產(chǎn)品主要由堅硬的材料制成，由于堅硬和粗糙的界面之間的點接觸，不能與散熱器產(chǎn)生完美的接觸。因此，需要低壓應(yīng)力、耐久性好、高垂直導(dǎo)熱系數(shù)的熱界面材料（TIM）來填充粗糙表面之間的空隙。

石墨烯、碳納米管和碳纖維等微米級或納米級碳材料的引入是提高 TIM 導(dǎo)熱系數(shù)的最常用方法之一，因為它們具有超高的固有熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態(tài)，包括尺寸、厚度、縱橫比和排列方向。通常，具有高縱橫比、納米級厚度和超過滲透閾值的填充物會促進熱導(dǎo)率的增強。

然而，隨機分散的填料會導(dǎo)致有限的熱導(dǎo)率，由于不連續(xù)的導(dǎo)熱通路導(dǎo)致強烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導(dǎo)率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導(dǎo)排列等構(gòu)建有序的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。

相變材料（PCM）多年來一直用于許多領(lǐng)域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基質(zhì)和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發(fā)出具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及柔性的導(dǎo)熱復(fù)合相變材料對于電子器件的進一步發(fā)展有著重要作用。

02

成果掠影

近期

北京大學(xué)白樹林教授團隊

在設(shè)計制備導(dǎo)熱相變復(fù)合材料方面取得新進展。在本文中提出了一種通過結(jié)合有序排列的碳纖維CF和丙烯基彈性體(POE)包裹石蠟(PA)來制備具有高潛熱和低壓縮應(yīng)力的相變復(fù)合材料的策略。實驗結(jié)果表明通過高導(dǎo)熱碳纖維束 (CF) 和聚合物相變材料的組合制備了具有超高熱導(dǎo)率（高達(dá)168.4 W/(mK)）和優(yōu)異柔性的熱界面材料（PCMs）。CF的有序排列結(jié)構(gòu)大大降低了CF與基體之間沿傳熱方向的熱阻，有效的優(yōu)化了材料的熱導(dǎo)率。材料中的PA通過POE網(wǎng)絡(luò)中PA分子鏈的運動賦予PCC高潛熱和熱誘導(dǎo)的柔韌性。POE網(wǎng)絡(luò)和CF陣列有利于PA的封裝，保持良好的防泄漏能力和形狀穩(wěn)定性。此外，PCM吸收的潛熱也有利于熱管理。因此，在CPU溫度控制實驗中，所制備的TIM的應(yīng)用表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能。這一工作為制備高熱傳導(dǎo)和高柔性TIM提供了一個新的視角。

研究成果以“A novel phase change composite with ultrahigh through-plane thermal conductivity and adjustable flexibility”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.復(fù)合相變材料制備示意圖和微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.復(fù)合材料的熱導(dǎo)率以及TG曲線，熱導(dǎo)率和文獻(xiàn)的比較。

圖3.相變復(fù)合材料的放熱和吸熱DSC曲線以及結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4.復(fù)合相變材料的熱管理應(yīng)用。

END

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審核編輯黃宇