一種用于定向垂直碳纖維基復(fù)合熱界面材料的制備技術(shù)

來源|Applied Surface Science

01

背景介紹

近幾十年來，電路板上的晶體管尺寸不斷減小，導(dǎo)致功率密度急劇增加，產(chǎn)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(fā)熱已成為現(xiàn)代電子工業(yè)的關(guān)鍵問題。具有優(yōu)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(dǎo)熱性。但是，聚合物的固有導(dǎo)熱系數(shù)(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(dǎo)熱要求。

為了提高材料的熱導(dǎo)率，通常在基體中引入具有高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱填料。碳纖維(CF)擁有沿一維(1D)方向的高導(dǎo)熱系數(shù)為1100 W/(mK)，被認(rèn)為是制造高性能TIM的有前途的填料。然而，CF的導(dǎo)熱性是各向異性的，并且有報道稱，瀝青基的CF沿軸向的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱表現(xiàn)。

考慮各向異性CF的導(dǎo)熱性，取向是一種有效的策略要獲得高導(dǎo)熱性，目前定向的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積生長，磁場，三維(3D)打印，冷凍干燥，靜電紡絲和應(yīng)力誘導(dǎo)等已經(jīng)發(fā)展起來。然而，甚至在定向之后導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。進一步添加額外的填充物是一種有效的策略。然而，大多數(shù)定向技術(shù)高度依賴于特定的儀器，難以大規(guī)模制備。因此開發(fā)出適合大規(guī)模生產(chǎn)的定向技術(shù)是非常重要的。

02

成果掠影

近期，

河北工業(yè)大學(xué)鄧齊波教授，天津理工大學(xué)趙云峰教授和蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強團隊聯(lián)合在制備具有高導(dǎo)熱率的復(fù)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(fù)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(jié)果表明，垂直取向的SCFs與Al球形顆粒形成了有效的導(dǎo)熱-三維(3D)網(wǎng)絡(luò)，平面內(nèi)測得的導(dǎo)熱系數(shù)高達10.46 W/(mK)，而通過穩(wěn)態(tài)法測得的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)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(fù)合材料的工作機理和導(dǎo)熱性能。此外，利用紅外熱像儀觀察了復(fù)合材料在加熱和冷卻階段的表面溫度變化。當(dāng)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(xiàn)了沿垂直定向碳纖維基三維網(wǎng)絡(luò)的高效傳熱。這項工作說明了使用SCFs制備高導(dǎo)熱3D網(wǎng)絡(luò)的前景，可用于未來電子設(shè)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(fā)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(chǎn)學(xué)研方面的一個縮影，泰吉諾將堅守企業(yè)責(zé)任，以客戶需求為導(dǎo)向，不斷在高性能熱界面材料領(lǐng)域開展前沿研究，為客戶提供性能更優(yōu)良的原創(chuàng)產(chǎn)品。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.定向技術(shù)以及材料制備工藝示意圖。

圖2.復(fù)合材料的XRD圖譜。

圖3.不同倍數(shù)的SCF-random的SEM圖像。

圖4.不同角度（0?，45?和90?）復(fù)合材料的SEM和EDS圖像。

圖5.不同條件下復(fù)合材料的熱導(dǎo)率變化以及本文熱導(dǎo)率和相關(guān)文獻對比。

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

圖7.復(fù)合材料SCF-0和SCF-90的熱管理性能對比。

END

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審核編輯黃宇