現代電子設備的高度集成化和微型化，提高了設備便攜性和處理能力的同時，也使“散熱”需求愈發(fā)突出。導熱墊片作為一種柔軟、貼合性較好的熱界面材料（TIM），通過填充發(fā)熱元器件和散熱器之間的孔隙和缺陷，并排出其中的空氣，可以使熱量在接觸界面處有效地傳遞，從而增強散熱器的散熱性能，在散熱系統中應用十分廣泛。

導熱墊片是由高分子聚合物材料為基體，加入導熱填料通過加熱固化制備得到的一種片狀材料，其中導熱填料對導熱起了關鍵作用。碳纖維的軸向導熱系數可達600~1300w/mk，似乎是一種用于導熱墊片的理想填料，但是最初人們把它添加進硅橡膠墊片里的時候，墊片整體的導熱率卻并沒有什么明顯的提升，于是研究者對碳纖維導熱墊片進行了一系列探究。

熱導率的影響因素

碳纖維是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，具有一定的長徑比，因此與氧化鋁等球形導熱填料不同，其在性能上存在著各向異性，即在不同的方向上導熱性呈現出明顯差異，其軸向導熱系數雖然非常高，但其徑向導熱系數卻僅為 10W/m·K左右，這意味著碳纖維在聚合物基體中的排列對于導熱墊片的熱導率有著關鍵的影響。要想用碳纖維制作出高導熱的墊片，就必須通過調控聚合物基體中的碳纖維在軸向方向上取向，可以充分利用碳纖維的高導熱特性，形成更多的“導熱通路”。

常規(guī)導熱墊片VS碳纖維導熱墊片

（來源：蘇州泰吉諾）

隨機排列（左）與定向排列（右）的碳纖維形成的導熱通路

如何使碳纖維定向排布？

通常碳纖維的直徑只有10微米左右，若填充在導熱墊片里數量動輒就有上億根，要讓它們全部、快速、整齊地排布成同一個角度也是一個難題。目前，主要有冰模板法、剪切力取向法、電場定向法以及磁場定向法等可以實現碳纖維的定向排布

1、冰模板法

冰模板取向法就是通過控制垂直方向上的溫度梯度，讓冰沿著垂直方向生長制得垂直取向模板的過程。

冰模板法原理（來源：高分子物理學）

在這一過程中，分散在水中的碳纖維會被冰晶所排斥、逼近，并沿著冰整齊排列，形成垂直整齊的取向結構，從而形成良好的導熱通道。之后，通過冷凍干燥法去除冰晶，再加入一定比例的預聚物和固化劑，即可制得具有碳纖維定向排布的導熱墊片。與傳統的共混方法相比，冰模板取向法更充分地利用了一維導熱材料在軸向上高導熱的特點，通過讓碳纖維沿著垂直方向排列，從而在軸向方向上形成導熱通道，較無取向碳纖維導熱墊片的導熱率得到了大幅提升。

冰模板取向法制備取向碳纖維增強導熱復合材料的熱導率

冰模板法的原理簡單，在工業(yè)上應用廣泛，能夠實現在較低填充量下達到較高的熱導率，但冰模板取向法制備的取向碳纖維骨架不穩(wěn)定，且無法實現高填充，這在一定程度上限制了冰模板取向法的應用。

2、剪切力取向法

受到物體在流場中會呈現定向排列的啟發(fā)，人們把碳纖維添加進流動的液態(tài)硅橡膠里，并采取擠出、注塑等工藝對其施加擠出剪切力，使碳纖維在流速方向上發(fā)生取向，從而形成高效的導熱通道，制備出高導熱的碳纖維導熱墊片。

利用這種方式，工藝簡單，制備易于實施，但由于擠出的流速較難保持一致，一般會呈現中間流速快，貼壁的部分流速較慢，影響碳纖維的取向。

注塑過程中纖維的取向狀態(tài)

3、電場定向法

電場輔助取向法是將碳纖維置于電場中，根據不同的電場的頻率和強度進行排列和分布，讓碳纖維在豎直方向上形成導熱通路，獲得取向碳纖維支架，再將聚合物倒入其中，固化后即可獲得具有高導熱通路的取向碳纖維導熱墊片。

這種方法可以簡單有效地控制碳纖維的取向，但由于需要較強的電場強度，因此需要進一步改進和優(yōu)化，以減少能源消耗。

4、磁場定向法

反磁性是所有物質普遍存在的一種現象，是一種負磁性效應，即在外磁場的作用下，物質會產生一個與外磁場相反方向的微弱磁性，當外磁場足夠強時，不管物質有多大多重，都會被磁場改變運動狀態(tài)。磁場定向法就是利用碳纖維的反磁性效應，在足夠強的磁場作用下，碳纖維的運動狀態(tài)會發(fā)生改變，同時由于碳纖維的抗磁性強度也存在各向異性，它還會被磁感線“拉拽”著偏轉到一個能讓自己平衡的角度，從而實現定向排布。

磁場定向法裝置

積水保力馬公司的材料學家們就曾用高達7特斯拉的“超級強磁場”，制備出了具有高達90%的取向率的碳纖維導熱墊片，并在后續(xù)不斷調整優(yōu)化，使其導熱率提升至其他材料望塵莫及的35.0～40.0W/m·K。

碳纖維高導熱墊片（來源：積水保力馬）

但目前由于這種制備工藝較為復雜，制造成本較高，通常僅有導熱系數為20~30W/m·K的導熱墊片采用這種方法，主要應用于5G基站芯片的散熱。

小結

碳纖維在性質上具有各向異性，因此通過控制碳纖維的取向是提升碳纖維導熱墊片的導熱性能的關鍵。目前存在的幾種取向方法中，冰模板法和剪切力取向法工藝都比較簡單，但實現高度可控的高取向度仍然具有挑戰(zhàn)性，而利用外場（如電場、磁場等）取向，則存在工藝復雜和成本高等缺點，因此仍需要進一步完善，以實現工程化應用。

參考文章：

1、王大林,繆小冬,楊寶嶺等.取向碳纖維/橡膠導熱復合材料的研究進展[J].橡膠科技.

2、《被 5G 捧紅的“碳纖維導熱” 材料 ！》.膠我選.

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