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  熱管理系統(tǒng)對于柔性電子設(shè)備至關(guān)重要，原因在于其重要的長期穩(wěn)定運行性能如電感電流的穩(wěn)定性和使用壽命易受到高溫的影響。熱界面材料因其界面高效導(dǎo)熱性能成為熱管理系統(tǒng)的核心材料。因此發(fā)展具有形變適應(yīng)性和力學(xué)載荷承載能力的熱界面材料對于高功率器件如CPU和GPU處的界面熱疏導(dǎo)非常重要。然而傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料如金屬、陶瓷晶體和金剛石通常都是高密度硬質(zhì)材料，無法展現(xiàn)出柔性。

  碳基材料以其高導(dǎo)熱、高力學(xué)強(qiáng)度和微觀柔性展現(xiàn)了其作為熱界面材料的潛力。一種兼顧柔性和導(dǎo)熱可行的解決方法是在碳結(jié)構(gòu)中浸漬柔性聚合物基體。但是其較低的聲子平均自由程和由大量缺陷帶來的聲子散射導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)(κ)極低，限制了其在熱界面材料的應(yīng)用。因此將其與取向?qū)崽盍匣蚪宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合是SI基體內(nèi)構(gòu)建導(dǎo)熱體系的重要解決方向。

  近年來基于碳纖維（CF）和定向碳納米管陣列(VACNT)的三維納米結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度和對不同方向?qū)嵝阅艿募骖櫾谌嵝詿峤缑娌牧项I(lǐng)域受到了關(guān)注。其體系的構(gòu)建主要包括兩種策略：層次結(jié)構(gòu)取向和網(wǎng)狀導(dǎo)熱框架。層次結(jié)構(gòu)取向仍然不能夠大幅增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)導(dǎo)熱，而網(wǎng)狀導(dǎo)熱框架則受制于較差的界面、較低的結(jié)構(gòu)均勻性和結(jié)構(gòu)團(tuán)聚。盡管如此，結(jié)合理論指導(dǎo)、柔性高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱的三維納米結(jié)構(gòu)在未來各向均勻高導(dǎo)熱材料的設(shè)計中仍占有重要地位。

  最近，天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授采用有限元分析方法對CF-VACNT碳結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料進(jìn)行數(shù)值模擬分析，總結(jié)影響CF-VACNT及其復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響因素。利用化學(xué)氣相沉積法在CF表面生長VACNT。通過CF表面預(yù)處理工藝以及調(diào)控VACNT的生長條件，在CF表面生長出高密度的規(guī)整VACNT，并獲得對VACNT長度和排列的可控調(diào)節(jié)工藝。而后制備得到不同結(jié)構(gòu)的CF-VACNT的靜電植絨取向陣列并利用原位注射法制備ACF-VACNT/SI復(fù)合材料。最終得到在復(fù)合材料沿厚度方向和面內(nèi)方向能夠兼顧高水平導(dǎo)熱能力的熱界面材料并取得測試結(jié)果與理論預(yù)測的統(tǒng)一，進(jìn)而成功地利用熱至變色染料將復(fù)合材料導(dǎo)熱性能進(jìn)行可視化驗證。該工作近期以“Thermal conductive and flexible silastic composite based on a hierarchical framework of aligned carbon fibers-carbon nanotubes” 發(fā)表在期刊Carbon上。

圖1 復(fù)合材料的制備流程簡圖

圖2 導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)單元的理論模擬

（a）碳結(jié)構(gòu)模型的空間溫度分布曲線

（b）碳復(fù)合結(jié)構(gòu)模型的空間溫度分布曲線

（c）碳復(fù)合結(jié)構(gòu)模型的時間-選定點溫度差值曲線

圖3 CF-VACNT碳復(fù)合結(jié)構(gòu)的微觀形貌

（a）經(jīng)過10 min生長后的微觀形貌

（b）經(jīng)過30 min生長后的微觀形貌

（c）經(jīng)過60 min生長后的微觀形貌

（d）碳復(fù)合結(jié)構(gòu)根部部分的SEM圖像

圖4 CF和CF-VACNT陣列的取向程度

圖5 ACF-VACN/SIT復(fù)合材料的界面結(jié)合情況

（a）CF、CF-VACNT與SI前驅(qū)體溶液的浸潤性

（b）ACF/SI與ACF-VACNT/SI復(fù)合材料的界面形貌

圖6 ACF-VACNT/SI復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能測試

（a）ACF/SI以及ACF-VACNT/SI復(fù)合材料沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)隨碳含量的變化規(guī)律

（b）ACF/SI以及ACF-VACNT/SI復(fù)合材料沿面內(nèi)方向?qū)嵯禂?shù)隨碳含量的變化規(guī)律

（c）ACF/SI以及ACF-VACNT/SI復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨VACNT長度的變化規(guī)律

（d）ACF-VACNT/SI復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)對比

圖7 ACF-VACNT/SI復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能可視化展示

（a）ACF-VACNT60Q/SI樣品熱色變化的數(shù)碼照片

（b）ACF-VACNT60Q/SI樣品熱隔離區(qū)的升溫曲線

（c）ACF-VACNT60Q/SI樣品升溫-曲率的變化關(guān)系

  數(shù)值模擬證明CF-VACNT復(fù)合結(jié)構(gòu)空間導(dǎo)熱的各向異性會隨著VACNT長度和VACNT排列數(shù)的增加而降低。而材料的制備過程中，表面預(yù)處理是CF生長VACNT的必要程序，表面涂覆納米級SiC涂層的CF能夠負(fù)載高密度的鐵催化劑，生長出高密度的VACNT。通過生長時間，能夠調(diào)控CF-VACNT復(fù)合結(jié)構(gòu)的VACNT長度(35, 60, 90 μm) 以及排列方式(Q型和D型)。CF-VACNT復(fù)合結(jié)構(gòu)對SI前驅(qū)液的浸潤性良好而隨著VACNT長度的增加，CF-VACNT復(fù)合結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和取向度降低，從而在一定程度上降低了CF-VACNT陣列的取向程度。制備得到的ACF-VACNT/SI復(fù)合材料能夠良好地兼顧各向?qū)嵝阅�，其沿厚度方向和面�?nèi)方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別可達(dá)7.51 W/mK和3.72 W/mK，且復(fù)合材料沿面內(nèi)方向的導(dǎo)熱系數(shù)隨曲率的增加而增大。相比于常規(guī)樹脂基碳納米管導(dǎo)熱復(fù)合材料，ACF-VACNT/SI復(fù)合材料導(dǎo)熱各向異性低，具有柔性和可壓縮性，力學(xué)性能良好，耐熱性能優(yōu)良，在柔性可穿戴電子設(shè)備的熱管理體系領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622318301179