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、高功率的快速發展，熱管理已成為電子器件的重要問題之一。然而，實現有效的熱管理是非常具有挑戰性的。因為電子產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，不能與散熱器產生完美的接觸。因此，需要低壓應力、耐久性好、高垂直導熱系數的熱界面材料（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 導熱系數的最常用方法之一，因為它們具有超高的固有熱導率。熱導率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態，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率的增強。

然而，隨機分散的填料會導致有限的熱導率，由于不連續的導熱通路導致強烈的聲子散射，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率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導排列等構建有序的導熱網絡。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 由基質和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態轉變為液態，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發出具有優異的熱導率以及柔性的導熱復合相變材料對于電子器件的進一步發展有著重要作用。

02

成果掠影

近期

北京大學白樹林教授團隊

在設計制備導熱相變復合材料方面取得新進展。在本文中提出了一種通過結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力的相變復合材料的策略。實驗結果表明通過高導熱碳纖維束 (CF) 和聚合物相變材料的組合制備了具有超高熱導率（高達168.4 W/(mK)）和優異柔性的熱界面材料（PCMs）。CF的有序排列結構大大降低了CF與基體之間沿傳熱方向的熱阻，有效的優化了材料的熱導率。材料中的PA通過POE網絡中PA分子鏈的運動賦予PCC高潛熱和熱誘導的柔韌性。POE網絡和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的應用表現出優異的熱管理性能。這一工作為制備高熱傳導和高柔性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”為題發表于《Chemical Engineering Journal》。

03

圖文導讀

圖1.復合相變材料制備示意圖和微觀結構示意圖。

圖2.復合材料的熱導率以及TG曲線，熱導率和文獻的比較。

圖3.相變復合材料的放熱和吸熱DSC曲線以及結構示意圖。

圖4.復合相變材料的熱管理應用。

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審核編輯黃宇