Nano-Micro Letters研究背景
沥青基碳纤维具有优异的轴向导热性能，如何使其轴向方向沿所需传热方向取向排布是制备满足电子设备高效散热需求的高导热垫片的关键。虽然已有大量研究报道了各种方法来制备纤维取向的导热复合材料，但是这些方法大多需要特殊的设备或者裁切后处理。本文提出了一种简单、高效的俄罗斯方块式堆砌工艺来取向碳纤维，经碳化处理后制备了三种不同取向方向的碳纤维定向骨架。浸渍硅橡胶后，所得制得的复合材料在纤维排列方向上展现出了优异的导热性能，导热系数最高达到45.01 W m⁻¹K⁻¹。此外，基于碳纤维导热性能的高各向异性，通过多次堆砌将不同取向方向的碳纤维进行组合，制备了鱼骨状的碳纤维骨架，实现了对传热路径的调控。
Shida Han, Yuan Ji, Qi Zhang, Hong Wu*, Shaoyun Guo*, Jianhui Qiu, Fengshun Zhang
本文亮点
内容简介
四川大学吴宏教授和郭少云教授等利用碳纤维各向异性的抗磁性，以一种简单、高效的俄罗斯方块式堆砌工艺和碳化处理制备了三种的碳纤维定向骨架。通过调控碳纤维含量、磁场方向和初始堆砌密度，骨架的厚度（0.5-1 mm）和取向方向（水平、对角和垂直）均可调控。由于定向排布的碳纤维形成了高效的声子传输通路，浸渍硅橡胶后所制得的复合材料在纤维排列方向上展现出了优异的导热性能，导热系数最高达到45W m⁻¹K⁻¹。此外，基于碳纤维导热性能的高各向异性，通过多次堆砌将不同取向方向的碳纤维进行组合，制备了鱼骨状的碳纤维骨架，实现了对传热路径的调控。这种厚度和方向可调、可浸渍任何基体的碳纤维骨架制备工艺为高导热垫片的制备提供了新的思路。
图文导读
I 碳纤维定向骨架的制备及结构表征
碳纤维定向骨架的制备过程示意图如图1所示。将碳纤维和酚醛树脂以固定的比例分散在溶剂中形成碳纤维悬浮液，之后将悬浮液迅速转移到由两块永磁体形成的平行磁场中，使碳纤维在沉降过程中沿磁感线取向。随着溶剂的挥发，树脂逐渐在碳纤维表面析出并将取向结构固定，最后经高温固化和氮气环境下的碳化处理，得到可自支撑的碳纤维定向骨架。通过改变磁场方向和初始堆砌密度，可分别获得碳纤维水平取向(HCS)、对角取向(DCS)和垂直取向(VCS)的定向骨架。
图1. 碳纤维定向骨架的制备过程示意图。
如图2所示，通过微距相机和SEM表征了不同碳纤维骨架表面和截面的形貌结构，取向后的碳纤维定向骨架展现出了有序规整的结构。骨架的厚度随着碳纤维浓度的增加而增大，定向骨架与自然堆砌的非定向骨架相比展现出了更小的厚度和更大的体积密度。为了表征不同骨架中碳纤维在垂直方向上的取向程度，利用XRD中晶面特征峰峰强的比值进行了定性分析，进一步地使用Micro-CT对DCS和VCS两种骨架中碳纤维轴向与垂直方向的夹角进行了统计。
图2. 碳纤维骨架表面和截面的微距照片和SEM图像：(a, e) SC-5, (b, g) HCS-7, (c, f) DCS-7 and (d, h) VCS-7；碳纤维骨架的(i)厚度和(j)体积密度随碳纤维在悬浮液中浓度的变化；(k, j) 不同骨架的XRD数据和特征峰峰强比值；(m) 纤维轴向方向与垂直方向的夹角φ示意图；(n, o) DCS的Micro-CT图像和夹角φ统计；(p, q) VCS的Micro-CT图像和夹角φ统计。
II 硅橡胶/碳纤维骨架复合材料的导热和热管理性能
如图3a所示，硅橡胶(PDMS)通过真空辅助浸渍，填充至了碳纤维定向骨架的空隙之中，固化后骨架的取向结构仍可以保持完好。图3b-d展示了不同骨架复合材料的在垂直、面内和纤维取向方向上的导热系数及其随温度的变化，其中HCS/PDMS和VCS/PDMS的导热性能展现出了较高的各向异性，HCS-7/PDMS和VCS-7/PDMS的导热系数分别达到了42.18 W m⁻¹K⁻¹和45.01 W m⁻¹K⁻¹。而由于纤维对角取向，DCS/PDMS在垂直和面内方向上的导热差异较小，垂直和面内导热系数分别为37.81 W m⁻¹K⁻¹和6.97 W m⁻¹K⁻¹。热台实验和有限元模拟也进一步证实了不同骨架结构对复合材料垂直导热性能贡献的差异，三种定向骨架复合材料的导热性能普遍高于之前文献报道的材料。此外，搭建了散热系统对骨架复合材料的热管理性能进行了评估(图4)，VCS-7/PDMS作为热界面材料时加热片表面温度最低。
图3. (a) VCS-7/PDMS的照片和SEM图像；(b) 骨架复合材料的垂直和面内导热系数；(c) HCS-7/PDMS在纤维取向方向和垂直于取向方向上的导热系数；(d) 骨架复合材料导热系数随温度的变化；(e, f) 骨架复合材料在热台上的红外热成像图像及相应时间-温度曲线；(g, h) 有限元模拟分析不同骨架结构对复合材料垂直传热性能的影响；(i) HCS-7/PDMS、DCS-7/PDMS和VCS-7/PDMS与已报道的导热复合材料的比较。
图4. (a) 材料热管理性能评估系统的示意图；(b, c) 不同材料作为热界面材料时加热片表面温度随时间的变化和相应红外热成像图像。
III 硅橡胶/鱼骨状碳纤维骨架复合材料的传热路径调控
具有定制传热路径的热界面材料可以赋予电子设备热管理系统更灵活的设计。基于碳纤维导热性能的高各向异性，通过多次堆砌将不同取向方向的碳纤维进行组合，制备了鱼骨状的碳纤维骨架(FCS)，并设计了四种情形验证其对传热的调控(图5)。结果表明，FCS/PDMS可以有效地将加热片的热量传递到同一水平面特定方向上的铜片，而且双热源情况下热源之间的热干扰程度较小。红外热成像图像中表面温度分布和基于不同结构的传热模拟也进一步验证了FCS/PDMS的传热特性(图6)。
图5. (a) 鱼骨状碳纤维骨架的形貌结构；(b) 传热路径调控的验证设计；(c) 情形I和情形II中加热片温度T₁和铜片温度TCu随时间的变化；(d) 情形I和情形III中加热片温度T₁随时间的变化；(e) 情形III和情形IV中加热片温度T₁和T₂随时间的变化。
图6. (a) 情形I中Commercial thermal pad、FCS/PDMS和FCS/PDMS-P在加热120 s后的表面温度分布；(b, c) 基于不同结构的传热模拟和传热示意图。
作者简介
本文通讯作者
▍主要研究成果
▍Email：wh@scu.edu.cn