近年來，隨著AI服務器、高性能GPU、先進封裝及新能源汽車等領域持續向更高功率密度發展，熱管理已成為影響器件性能、可靠性及壽命的關鍵因素。作為連接芯片與散熱器之間的重要媒介，熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM）承擔著降低界面熱阻、提升熱量傳輸效率的重要作用。然而，隨著芯片熱流密度不斷攀升，傳統TIM在導熱性能、柔順性及長期可靠性方面正面臨越來越大的挑戰。
目前，高導熱聚合物TIM通常需要引入大量陶瓷或碳基填料來構建導熱網絡，但高填充量往往會導致材料變硬、加工困難，并增加界面熱阻。因此，如何在較低填充量下構建連續、高效的導熱通路，成為高性能TIM研究的重要方向。
碳纖維（Carbon Fiber，CF）因具有較高本征熱導率、較低密度以及良好的力學性能，被廣泛應用于導熱復合材料。然而，隨機分散的碳纖維難以形成連續的導熱網絡，限制了復合材料導熱性能的進一步提升。近年來，研究人員開始嘗試利用磁場、電場、3D打印等方法誘導碳纖維定向排列，以構建沿厚度方向的高效導熱通道，但如何實現快速、高度一致且可規模化的垂直取向仍然是一個挑戰。
01
成果介紹
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所江南研究員江南、虞錦洪以及李茂華圖團隊實現碳纖維在聚合物凝膠中的高度垂直排列，并制備出一種兼具高導熱、柔軟性及優異熱穩定性的新型碳纖維/凝膠熱界面材料（CF/Gel TIM）。本研究首先利用磁場實現碳纖維沿磁力線定向排列，再通過優化電場方向及作用方式，使碳纖維能夠均勻嵌入聚合物凝膠內部，并最終形成高度連續的三維垂直導熱通道。相比傳統單向電場制備方法，雙場協同策略能夠顯著提升碳纖維排列一致性和導熱網絡完整性。
實驗結果表明，在35 wt%碳纖維填充量下，優化后的碳纖維/凝膠復合材料（rE-M-CF）厚度方向熱導率達到84.88 W/(m·K)，遠高于普通聚合物TIM，并保持了凝膠材料優異的柔軟性和適度黏附性。同時，材料具有較高的比熱容和良好的熱穩定性，在20次冷熱循環以及20%壓縮應變條件下仍能保持約80%的導熱性能，表現出良好的長期服役能力。為評價材料的導熱增強效率，作者進一步引入熱導率提升效率（Thermal Conductivity Enhancement Efficiency，TCEE）指標。結果顯示，該材料TCEE達到1351%，明顯優于近年來報道的大多數碳纖維基聚合物導熱復合材料，說明雙場協同構筑的高取向導熱網絡能夠以較低填充量實現更高導熱性能。
在實際熱管理測試中，研究團隊搭建了TIM性能評價平臺，將該材料應用于陶瓷加熱器和MOSFET無線充電模塊散熱。實驗結果顯示，在50 W/cm2熱流密度下，采用該TIM后，熱源穩態溫度相比未使用TIM降低74.2 ℃，相比商業碳纖維TIM進一步降低15.2 ℃；對應等效換熱系數提升至0.89 W/(cm2·K)，較商業TIM提高約25%。在無線充電模塊中，該材料可使MOSFET工作溫度降低約4 ℃，有效提升器件散熱能力及運行可靠性。該雙場協同定向策略不僅顯著縮短了傳統熱固化TIM的制備周期，同時為構建高度取向碳纖維導熱網絡提供了新的技術路徑，有望在AI芯片、高性能計算、功率電子及無線充電等高熱流密度電子器件熱管理領域獲得應用。研究成果以“Dual-field Synergistic Orientation of Carbon Fibers for High-Efficiency Thermal Management”為題，發表于《Carbon Energy》期刊。
02
圖文導讀
TIM的研究重點正從“提高填料含量”逐步轉向“優化導熱網絡結構”。簡單增加填料雖然能夠提升導熱率，但往往會犧牲材料的柔順性、加工性能和界面貼合能力。這項工作的創新點，在于利用電場+磁場雙場協同實現碳纖維高度垂直取向，在僅35 wt%填充量下構建連續的厚度方向導熱通路，實現了84.88 W/(m·K)的厚度方向熱導率，并在實際TIM測試中展現出優于商業產品的散熱性能。
隨著AI GPU、HBM先進封裝及高功率功率器件不斷向更高熱流密度發展，兼具高導熱、低熱阻、柔性和可靠性的新一代TIM將成為未來熱管理領域的重要發展方向。這項研究提出的雙場協同定向方法，也為碳纖維基熱界面材料的結構設計和規模化制備提供了一種值得關注的新思路。
來源：https://doi.org/10.1002/cey2.70245
聲明：Flink未來產鏈整理，轉載請聯系：18158256081（同微信）
