关键词：
热管理 热界面材料 石墨烯
碳纤维 定向技术 高热导率
半导体激光器、大规模集成电路等器件的快速发展，不仅降低了芯片尺寸，提高了器件集成度，而且导致功率密度急剧增加。现有的热界面材料已经难以满足日益增长的器件散热需求。若能在传统聚合物基体热界面材料中构建高效导热通路，有望显著提升其性能，对于大功率密度电子器件的热管理具有重要意义。然而采用银、铜、氧化铝、氧化锌等各向同性材料作为填料提升性能的努力未取得预期效果。因此，近年来人们开始尝试利用具有各向异性导热特性的材料来提升性能。其中，以石墨烯、碳纤维为代表的碳基材料，因其优异的导热能力，在设计高性能热界面材料中展现出巨大的潜力。
厦门大学二维材料与物性调控研究课题组设计出了如图1所示的石墨烯气凝胶。由石墨烯构成三维空间连续分布的多孔结构，不仅提供了优异的力学性能（如高弹性），而且通过改变压缩比可实现面内热导率从14至96 W m-1 K-1的连续可控调节。这不仅有助于解决器件中由于发热不均导致的局域热点问题，而且为实现动态自适应热管理提供新方案。
图1.利用压缩实现石墨烯气凝胶热导率的可控调节
在此基础上，课题组利用多种取向调控方法，实现碳纤维等材料的定向排布，有效提升热界面材料的面间导热性能。
先采用流场定向的方法在聚合物中调控碳纤维的排列取向，再利用氧化铝颗粒在碳纤维之间搭建导热“桥梁”，最终获得了高面间导热（38 W m-1 K-1）且低压缩模量（1.4 MPa）的柔性导热垫片。利用Micro-CT技术，首次量化了碳纤维体积分数Vf与空间角度γ之间的关系，并提出了表征碳纤维之间位置关系的结构因子b/a。通过构建三维有限元模型，确定了复合材料面间热导率与Vf成正相关，与γ以及b/a成负相关，如图2所示。同时，课题组基于上述原理，设计并搭建了自动化生产的原型机，为实现此类材料产业化制备奠定了基础。
图2.流场定向碳纤维增强面间热导率及其机理分析
课题组还基于碳纤维内部微观结构分析以及石墨烯的朗道抗磁性研究，构建了碳纤维磁场定向的理论模型，结合扫描电镜和广角x射线衍射等表征，验证了磁场强度、碳纤维空间取向、热导率的关联关系。提出采用聚乙烯醇溶液为溶剂，通过独特的蒸发固化方式，实现在超低磁场（0.4 T，其它文献所用磁场强度一般约为9 T）下聚合物内高密度碳纤维的有序排布，获得面间热导率超过90 W m-1 K-1的复合材料，如图3所示。
图3.磁场定向碳纤维增强面间热导率
上述研究工作发现了调控碳纤维取向新机制，发掘了影响热界面材料导热性能的关键因素，为器件热管理提供了新思路。相关成果分别以“Controlling anisotropic thermal properties of graphene aerogel by compressive strain”，“Improving through-plane thermal conductivity of PDMS-based composites using highly oriented carbon fibers bridged by Al2O3 particles”和“Extraordinary Thermal Conductivity of Polyvinyl Alcohol Composite by Aligning Densified Carbon Fiber via Magnetic Field”为题分别发表在Journal of Colloid and Interface Science，Composites Science and Technology和 Nano Research上。论文第一作者分别为博士生郭晓晓、黄若禹、程书建，通讯作者分别为张宇锋副教授、张学骜教授、蔡伟伟教授。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.03.130
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109717
https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5023-x
