近年來，隨著集成電路和電子設(shè)備的快速發(fā)展 電子設(shè)備，高功率密度設(shè)備的有效散熱已成為確保可靠性和使用壽命的一個主要因素。為了消除由非流動空氣產(chǎn)生的高界面電阻為了消除來自非流動空氣的高界面阻力，熱界面材料通常被用來填補散熱器和發(fā)熱元件之間的間隙。高分子材料因其輕質(zhì)、電絕緣和機械強度而被廣泛用作導熱材料。

遺憾的是由于無序的分子結(jié)構(gòu)，它們的內(nèi)在導熱性是無法滿足的。許多研究人員已經(jīng)創(chuàng)造性地將各向異性的導熱填料排列成有序的以獲得具有優(yōu)良各向異性導熱性的TIM。由于導熱路徑最短，各向異性填料在基體厚度方向上的有效垂直排列引起了人們的高度關(guān)注，以構(gòu)建一個連續(xù)的傳熱路徑，并進一步提高通面熱傳導率。現(xiàn)已提出了幾種有效的策略來建立垂直方向的結(jié)構(gòu)以提高TIM的通面導熱性。

然而關(guān)于具有垂直排列結(jié)構(gòu)的二維填充物的研究并沒有證明各向異性熱導率的明顯提高。一個主要原因是，具有兩個自由度的二維材料的超高面內(nèi)熱導率沒有得到充分的利用由于單軸取向的原因。與二維材料不同，一維材料可以在定向方向上達到最大的性能。

高排列的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微纖維導致了通面在超高分子量聚乙烯含量為55vol%時，熱導率為38.27W/m K。熱各向異性達到81，顯示了垂直排列的一維微纖維的巨大潛力。證明了垂直排列的一維材料在TIM方面的巨大潛力。最近，碳材料已被廣泛用作TIM的導熱填料。

在此，四川大學高分子科學與工程學院陳楓教授團隊選擇了1D介相瀝青基碳纖維，制造了一個高性能的TIM。它可提供高導熱性、適度的電絕緣和良好的靈活性，通過使用基于流動剪切效應(yīng)的簡單而有效的方法，在CF/OBC復(fù)合材料中形成了垂直取向結(jié)構(gòu)（f>0.9，其中f是CF/OBC復(fù)合材料中CF的取向度）。在30 vol%的CF負載下為15.06 W/m K表現(xiàn)出很高的通面導熱性，也實現(xiàn)了良好的電絕緣（~10^-9 S/m）和低壓縮強度（2.62 MPa）。TIM測量的結(jié)果表明，垂直排列的CF/OBC顯示出高效的散熱能力，可用于冷卻高功率發(fā)光二極管（LED）器件。相關(guān)成果以題“An efficient thermal interface material with anisotropy orientation and high through-plane thermal conductivity”發(fā)表在國際著名期刊Composites Science and Technology上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109784

圖1

（a）具有垂直排列結(jié)構(gòu)的CF/OBC復(fù)合材料的制備示意圖。（b） CF的SEM圖像。（c） CF的拉曼光譜光學圖像。（d）擠出的長絲和（e）垂直排列的CF/OBC復(fù)合材料。

圖2

（a）絲狀物的橫截面和（b）垂直排列的CF/OBC復(fù)合材料的SEM圖像。（c）垂直排列和（d）平行排列的2D-WAXS圖案。CF含量為1,5,10,15,20,30 vol%時，平行排列的樣品的2D-WAXS圖案。虛線標記了CF的（002）平面的環(huán)。（e）相應(yīng)的方位角整合的強度曲線。（f）不同CF含量樣品中（002）平面的取向度（f）。（g）純OBC、CF和10 vol% CF/OBC的一維XRD圖案。（h）從表面和橫截面的X射線方向的說明。（i）表面和（j）橫斷面的三維XRD圖案。

圖3

CF/OBC復(fù)合材料的導熱性能。（a）垂直、平行和隨機樣品的熱導率。（b）比較隨機、平行和垂直的30 vol% CF/OBC的比較。（c）各向異性（定義為κ⊥和κ‖的比率，其中κ⊥和κ‖分別是通過面和面內(nèi)的熱導率），隨著CF含量的增加而增加。（d）反復(fù)加熱和冷卻循環(huán)后垂直的30 vol% CF/OBC的典型κ⊥。（e）各向異性的熱導率 30 vol% CF/OBC在不同溫度下的各向異性熱導率。（f） CF/OBC的電絕緣性能。（g）示意圖，（h）紅外圖像和（i）樣品頂部的溫度。在100℃的熱階段，樣品頂部的溫度。

圖4

CF/OBC的機械性能。照片顯示了（a）打結(jié)的長絲，（b）彎曲和（c）扭曲的靈活性。（d）平行排列和（e）垂直排列的CF/OBC塊體的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f）平行結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)之間的抗壓強度隨CF含量增加而變化的比較。

圖5

30vol%的CF/OBC切片用于界面熱管理。用于LED芯片散熱的測試系統(tǒng)的紅外圖像（a）加熱和（b）冷卻。(c)原理圖和(d)中心區(qū)域的平均溫度與運行時間的關(guān)系。