Chem. Eng.J.：碳纤维通过平面组装成碳纤维骨架，以提高热界面材料的导热性

随着功率密度和功耗的不断增加，热管理已成为电子设备最重要的问题之一。应用于热源和散热器之前的热界面材料（TIMs）是热管理的重要组成部分。近年来，石墨烯、碳纳米管等碳材料因其高导热性和优异的力学性能，作为热界面材料的填料得到了广泛的研究。石墨烯是过去十年中研究最多的导热填料之一。然而，二维石墨烯具有各向异性的热导率。具体而言，石墨烯在面内的热导率超高，但垂直于面方向的热导率很低。碳纳米管具有良好的导热性。然而，大量文献表明，由于缺陷、界面热阻、纯度等因素，制备的聚合物复合材料的导热系数达不到预期值。因此，选择碳纤维作为导热填料具有导热系数高、强度重量比高、抗疲劳性能好、有效成本高、耐腐蚀等优点。真空过滤、棒涂、旋涂、机械拉伸等成膜技术的发展，促进了TIMs 平面内导热性能的提高(> 10.00 W m−1 K−1)，因为填料在聚合物中平面内堆积形成了导热网络。相比之下，由于缺乏贯通面组装技术，TIMs的贯通面导热系数长期处于较低水平(< 2.00 W m−1 K−1)。

碳纤维具有许多优点，如高导热性、高强度重量比、理想的抗疲劳性和耐腐蚀性，是很有前途的填充材料。然而，由于碳纤维的一维结构极大地提高了复合材料的粘度，增加了加工的复杂性，因此目前在制备TIMs时很少考虑使用它们。近日，中国科学院深圳理工大学Zeng, Xiaoliang报道了一个基于三维和垂直排列的碳纤维(3D-CFs)骨架结构的导热TIM。相关研究成果以“Through-plane assembly of carbon fibers into 3D skeleton achieving enhanced thermal conductivity of a thermal interface material”为题发表在《CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL》上。

3D-CFs骨架是通过垂直冻结CFs溶液，然后冷冻除冰，再用环氧树脂基体浸润而成。当CFs含量为13.0 vol%时，与纯环氧树脂(0.19 W m(-1) K-1)相比，复合材料显示出更高的贯穿面导热系数(2.84 W m(-1) K-1)。理论模型定性地证明了在取向的CFs/环氧复合材料中，界面热阻主要来源于CFs-CFs界面，而非CFs-环氧界面。此外，复合材料还具有较低的热膨胀系数(CTE)，为23.63 ppm K-1，与纯环氧树脂相比，在较小的CFs含量(13.0 vol%)下，其玻璃化转变温度提高到了222.8℃。该碳纤维骨架贯穿组件在TIMs中具有广阔的应用前景。

DOI: 10.1016/j.cej.2019.122550