碳纖維在導(dǎo)熱墊片中如何最大化其超高導(dǎo)熱性能

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備向高度集成化和微型化方向發(fā)展，設(shè)備的便攜性和處理能力顯著提升，但同時(shí)也加劇了“散熱”問(wèn)題的緊迫性。導(dǎo)熱墊片，作為一種柔軟且貼合性優(yōu)異的熱界面材料（TIM），通過(guò)有效填補(bǔ)發(fā)熱元器件與散熱器之間的微小間隙，排除空氣，促進(jìn)了熱量在接觸界面的高效傳遞，從而顯著增強(qiáng)了散熱效能，在散熱系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。

導(dǎo)熱墊片的核心在于其高分子聚合物基體中嵌入的導(dǎo)熱填料，這些填料對(duì)整體導(dǎo)熱性能起決定性作用。碳纖維，以其軸向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)600~1300W/（m·K）的卓越性能，理論上應(yīng)成為導(dǎo)熱墊片中的理想填料。然而，盡管碳纖維的導(dǎo)熱性能如此出色，但早期簡(jiǎn)單的摻入方式并未能充分發(fā)揮其潛力，這促使了科研人員對(duì)碳纖維在導(dǎo)熱墊片中應(yīng)用的深入探索。

熱導(dǎo)率提升的關(guān)鍵：碳纖維的定向排列

碳纖維的特殊結(jié)構(gòu)——由片狀石墨微晶沿纖維軸向堆疊而成，并經(jīng)碳化及石墨化處理，賦予了其顯著的各向異性導(dǎo)熱特性：軸向?qū)嵝阅茏吭?，而徑向?qū)嵯禂?shù)相對(duì)較低【約10W/（m·K）】。因此，如何在聚合物基體中精準(zhǔn)控制碳纖維的軸向排列，以構(gòu)建高效的“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)”，成為提升導(dǎo)熱墊片性能的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)碳纖維定向排列的技術(shù)路徑

1.冰模板法：通過(guò)控制溫度梯度誘導(dǎo)冰晶垂直生長(zhǎng)，利用冰晶排斥碳纖維并引導(dǎo)其有序排列的原理，形成垂直取向的碳纖維結(jié)構(gòu)。該方法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，能在低填充量下實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率，但取向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及高填充量的實(shí)現(xiàn)仍是挑戰(zhàn)。

2.剪切力取向法：在液態(tài)硅橡膠的流動(dòng)過(guò)程中施加剪切力，使碳纖維沿流速方向取向排列。此方法操作簡(jiǎn)便，但流速控制難度較高，影響取向效果的一致性。

3.電場(chǎng)定向法：利用電場(chǎng)力對(duì)碳纖維進(jìn)行定向排列，通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)頻率和強(qiáng)度，精確控制碳纖維的排列方向。該方法控制精度高，但需較強(qiáng)電場(chǎng)支持，能源消耗較大，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4.磁場(chǎng)定向法：基于碳纖維的反磁性效應(yīng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下引導(dǎo)碳纖維定向排列。此方法雖能實(shí)現(xiàn)高度定向，但工藝復(fù)雜且成本高昂，目前主要應(yīng)用于高端散熱領(lǐng)域，如5G基站芯片散熱。

總結(jié)

碳纖維在導(dǎo)熱墊片中的高效應(yīng)用，關(guān)鍵在于通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)其定向排列，以最大化其軸向?qū)醿?yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有方法中，冰模板法和剪切力取向法在工藝上較為簡(jiǎn)便，但高取向度的精準(zhǔn)控制仍具挑戰(zhàn)；而電場(chǎng)和磁場(chǎng)定向法則在控制精度上更勝一籌，但面臨工藝復(fù)雜和成本高昂的問(wèn)題。未來(lái)，需進(jìn)一步探索更為高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路徑，推動(dòng)碳纖維導(dǎo)熱墊片在更廣泛領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。