来源 | Small Structures

链接 | https://doi.org/10.1002/sstr.202500139

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背景介绍

随着微电子学的进步，由于集成密度的增加而导致的散热问题已成为一个关键挑战。有效的热管理对于面临热通量和界面传导挑战的高性能电子产品至关重要。传统的基于碳纤维的热界面材料（TIMs）和相变热界面材料（PCTIMs）由于纤维排列和材料各向异性的限制，往往无法同时实现高平面外热导率（TC）和机械柔顺性。

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成果掠影

近日，湖南大学欧阳婷团队联合先进功能复合材料技术重点实验室李军平团队提出了一种基于螺旋碳纤维复合材料（HCFC）的相变热界面材料设计。通过几何工程实现的螺旋结构，使纤维沿z轴对齐，无需复杂对齐过程即可显著增强平面内热导率，并保持超过80%的回弹率。将HCFC嵌入石蜡基质后，所得PCTIM表现出显著提高的平面内热导率、高潜热和极低泄漏。螺旋结构增强了相变材料的容纳能力，并在压力/温度变化中维持性能。采用低成本聚丙烯腈基碳纤维的设计，在热学和力学性能上超越了传统TIMs。研究结果表明，螺旋碳纤维复合材料在电子和能源系统的先进热管理中具有可扩展解决方案的潜力。研究成果以“Helical Carbon Fiber-Based Phase Change Thermal Interface Materials: Unlocking Superior Thermal Conductivity through Novel Structural Engineering”为题发表在《Small Structures》期刊。

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图文导读

图1.PCTIM制备过程的示意图。 

图2.a) 绕线机设置，b) PANCF 长丝，c) HCFs，d) GO涂覆的HCFs。

图3.HCFCs的SEM观察。a) sPCF在xy平面上及a1) 垂直方向，b) hPCF在xy平面上及b1) 垂直方向，c) G@hPCF在xy平面上及c1) 垂直方向，d) G/G@hPCF在xy平面上及d1) 垂直方向，c2,c3,c4) G@hPCF的放大图片，d2) G/G@hPCF的放大图片。

图4.a) HCF复合材料在不同压力下的热导率和热阻及其对应的应变，b) 样品的回弹弹性，c) G/G@hPCF样品的CT图像，d) 表示样品内部热传递路径的示意图，e) 示意图展示了在压缩和解压循环中的结构弹性。

图5.PCC-sPCF的SEM观察：a）xy平面和a1）横截面方向，PCC-hPCF在b）xy平面和b1）横截面方向，c）PCC-G@hPCF在xy平面和c1）横截面方向以及PCC-G/G@hPCF在d）xy平面和d1）横截面方向；热重分析：e）DSC曲线，f）复合材料的潜热容量和g）基于PW质量分数的实验获得潜热与理论确定值的比较。照片显示h）PCC-G/G@hPCF与PW在70°下的对比和i）随时间的重量变化。

图6.PCTIMs的热性能。a）PCTIMs的热导率和每单位体积分数填料的热导率增强。b）PCTIM样品与其他碳纤维增强型PCM的热导率和潜热比较。c）展示PCTIMs热传递行为的装置。d）PCTIMs上表面温度随时间的变化。e）加热和冷却过程中选定的PCTIMs红外图像。

图7.a）硅基热垫（PDMS-G/G@hPCF）的热性能。b）PCC-G/G@hPCF的热性能。c）在不同温度下PDMSC和PCTIM的导热系数比较。d）展示热管理能力的设置。e）发光二极管（LED）中央热点的温度随时间变化。f）加热过程中选定的红外图像。