取向?qū)峋酆衔飶?fù)合材料的節(jié)能工藝（熱泳）

摘要：導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料由沿著特定方向定向的填料組成，形成熱流通道。然而，控制這些填料取向的傳統(tǒng)方法是高成本的能源密集型的，并且需要進(jìn)行表面修飾，這會(huì)降低材料的質(zhì)量和性能。現(xiàn)在，韓國研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種節(jié)能的方法來控制填料的取向，且無需進(jìn)行表面修飾，從而提高導(dǎo)熱性。由于具有質(zhì)輕、柔韌和加工靈活性等優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料常被用做熱界面材料（TIM）填充在電子設(shè)備芯片/熱源和散熱器之間，從而將熱源產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱器，進(jìn)而擴(kuò)散至周圍環(huán)境。

圖1：導(dǎo)熱聚合物TIM材料應(yīng)用示意圖

散熱器水平放置在電子產(chǎn)品熱源頂部，通常要求熱源與散熱器之間的 TIM 材料具有較大的軸向熱導(dǎo)率，才能提供較高的導(dǎo)熱效率。由于六方氮化硼 (h-BN) 具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率 (～400 W/m?K)，通過引導(dǎo) h-BN 填料在軸向上取向來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化熱傳導(dǎo)路徑，制造垂直排列的 h-BN 高效導(dǎo)熱 TIM 材料獲得青睞。

圖2：六方氮化硼 (h-BN)的結(jié)構(gòu)

目前，改變導(dǎo)熱填料的取向方向依然采用能源密集型的傳統(tǒng)工藝，需要使用電/磁場(chǎng)和表面修飾工藝，這除了大幅增加取向?qū)峋酆衔锊牧系某杀荆€可能會(huì)損害填充物的質(zhì)量和熱性能?，F(xiàn)在，韓國釜山國立大學(xué)的 Chae Bin Kim 教授和他的團(tuán)隊(duì)宣布已經(jīng)開發(fā)出一種節(jié)能的工藝，可以改變填料的排列方向，而不需要進(jìn)行表面修飾。研究論文已于 2022 年 10 月17 日在網(wǎng)上公布，并將于 2023 年 1 月 1 日發(fā)表在《聚合物測(cè)試》雜志的第 117 卷。

圖3：改變導(dǎo)熱填料取向的節(jié)能方法，研究成果發(fā)表在《Polymer Testing》

論文中所提出的節(jié)能工藝?yán)昧?span style="color:rgb(61,170,214);">熱泳方法，是一種利用溫度梯度使懸浮在流體介質(zhì)中的固體顆粒發(fā)生移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。為了制備導(dǎo)熱取向聚合物復(fù)合材料，研究人員將六方氮化硼（h-BN）填料顆粒懸浮在一種紫外線固化的液體中，并將其涂在兩塊玻璃板之間，然后沿著薄膜厚度方向施加一個(gè)溫度梯度，使填料顆粒旋轉(zhuǎn)，并沿著施加的溫度梯度重新排列。在達(dá)到所需的取向方向時(shí)，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行光固化，從而形成具有固定填料方向的固體復(fù)合材料，形成結(jié)構(gòu)化傳熱途徑。

圖4：六方氮化硼（h-BN）填料顆粒在溫度梯度中發(fā)生垂直取向排列（圖片來源：Pusan National University）

Chae Bin Kim 教授表示，據(jù)他們所知，他們目前的研究是利用熱泳技術(shù)控制各向異性填料顆粒獲得取向的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明。他們所提出的方法有可能降低制造導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的能耗成本。此外，通過避免表面修飾，可以開發(fā)出高效的導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，以改善散熱和延長電子產(chǎn)品的壽命。