一种用于电子器件热管理的相变复合材料

热管理博览会 2023年5月4日浏览：1436

来源 | Chemical Engineering Journal

背景介绍

随着集成电路小型化、高功率的快速发展，热管理已成为电子器件的重要问题之一。然而，实现有效的热管理是非常具有挑战性的。因为电子产品主要由坚硬的材料制成，由于坚硬和粗糙的界面之间的点接触，不能与散热器产生完美的接触。因此，需要低压应力、耐久性好、高垂直导热系数的热界面材料（TIM）来填充粗糙表面之间的空隙。

石墨烯、碳纳米管和碳纤维等微米级或纳米级碳材料的引入是提高 TIM 导热系数的最常用方法之一，因为它们具有超高的固有热导率。热导率增强主要取决于填料填充量、界面热阻和填料形态，包括尺寸、厚度、纵横比和排列方向。通常，具有高纵横比、纳米级厚度和超过渗透阈值的填充物会促进热导率的增强。

然而，随机分散的填料会导致有限的热导率，由于不连续的导热通路导致强烈的声子散射，无法满足一般操作要求。为了克服这一缺陷并充分利用高热导率的碳基填料，它们通常通过电场/磁场辅助定向、剪切诱导排列等构建有序的导热网络。然而，由于填料之间的离散接触，热阻仍然过高。

相变材料（PCM）多年来一直用于许多领域，包括电子和建筑中的储能和热管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基质和热填料组成。在相变温度下，PCM基体会从固态转变为液态，吸收热能并充分润湿粗糙表面以减少接触热阻，因此，开发出具有优异的热导率以及柔性的导热复合相变材料对于电子器件的进一步发展有着重要作用。

成果掠影

近期北京大学白树林教授团队在设计制备导热相变复合材料方面取得新进展。在本文中提出了一种通过结合有序排列的碳纤维CF和丙烯基弹性体(POE)包裹石蜡(PA)来制备具有高潜热和低压缩应力的相变复合材料的策略。实验结果表明通过高导热碳纤维束 (CF) 和聚合物相变材料的组合制备了具有超高热导率（高达168.4 W/(mK)）和优异柔性的热界面材料（PCMs）。CF的有序排列结构大大降低了CF与基体之间沿传热方向的热阻，有效的优化了材料的热导率。材料中的PA通过POE网络中PA分子链的运动赋予PCC高潜热和热诱导的柔韧性。POE网络和CF阵列有利于PA的封装，保持良好的防泄漏能力和形状稳定性。此外，PCM吸收的潜热也有利于热管理。因此，在CPU温度控制实验中，所制备的TIM的应用表现出优异的热管理性能。这一工作为制备高热传导和高柔性TIM提供了一个新的视角。研究成果以“A novel phase change composite with ultrahigh through-plane thermal conductivity and adjustable flexibility”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

图文导读