近年来，随着集成电路和电子设备的快速发展 电子设备，高功率密度设备的有效散热已成为确保可靠性和使用寿命的一个主要因素。为了消除由非流动空气产生的高界面电阻为了消除来自非流动空气的高界面阻力，热界面材料通常被用来填补散热器和发热元件之间的间隙。高分子材料因其轻质、电绝缘和机械强度而被广泛用作导热材料。

遗憾的是由于无序的分子结构，它们的内在导热性是无法满足的。许多研究人员已经创造性地将各向异性的导热填料排列成有序的以获得具有优良各向异性导热性的TIM。由于导热路径最短，各向异性填料在基体厚度方向上的有效垂直排列引起了人们的高度关注，以构建一个连续的传热路径，并进一步提高通面热传导率。现已提出了几种有效的策略来建立垂直方向的结构以提高TIM的通面导热性。

然而关于具有垂直排列结构的二维填充物的研究并没有证明各向异性热导率的明显提高。一个主要原因是，具有两个自由度的二维材料的超高面内热导率没有得到充分的利用由于单轴取向的原因。与二维材料不同，一维材料可以在定向方向上达到最大的性能。

高排列的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微纤维导致了通面在超高分子量聚乙烯含量为55vol%时，热导率为38.27W/m K。热各向异性达到81，显示了垂直排列的一维微纤维的巨大潜力。证明了垂直排列的一维材料在TIM方面的巨大潜力。最近，碳材料已被广泛用作TIM的导热填料。

在此，四川大学高分子科学与工程学院陈枫教授团队选择了1D介相沥青基碳纤维，制造了一个高性能的TIM。它可提供高导热性、适度的电绝缘和良好的灵活性，通过使用基于流动剪切效应的简单而有效的方法，在CF/OBC复合材料中形成了垂直取向结构（f>0.9，其中f是CF/OBC复合材料中CF的取向度）。在30 vol%的CF负载下为15.06 W/m K表现出很高的通面导热性，也实现了良好的电绝缘（~10^-9 S/m）和低压缩强度（2.62 MPa）。TIM测量的结果表明，垂直排列的CF/OBC显示出高效的散热能力，可用于冷却高功率发光二极管（LED）器件。相关成果以题“An efficient thermal interface material with anisotropy orientation and high through-plane thermal conductivity”发表在国际著名期刊Composites Science and Technology上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109784

图1

（a）具有垂直排列结构的CF/OBC复合材料的制备示意图。（b） CF的SEM图像。（c） CF的拉曼光谱光学图像。（d）挤出的长丝和（e）垂直排列的CF/OBC复合材料。

图2

（a）丝状物的横截面和（b）垂直排列的CF/OBC复合材料的SEM图像。（c）垂直排列和（d）平行排列的2D-WAXS图案。CF含量为1,5,10,15,20,30 vol%时，平行排列的样品的2D-WAXS图案。虚线标记了CF的（002）平面的环。（e）相应的方位角整合的强度曲线。（f）不同CF含量样品中（002）平面的取向度（f）。（g）纯OBC、CF和10 vol% CF/OBC的一维XRD图案。（h）从表面和横截面的X射线方向的说明。（i）表面和（j）横断面的三维XRD图案。

图3

CF/OBC复合材料的导热性能。（a）垂直、平行和随机样品的热导率。（b）比较随机、平行和垂直的30 vol% CF/OBC的比较。（c）各向异性（定义为κ⊥和κ‖的比率，其中κ⊥和κ‖分别是通过面和面内的热导率），随着CF含量的增加而增加。（d）反复加热和冷却循环后垂直的30 vol% CF/OBC的典型κ⊥。（e）各向异性的热导率 30 vol% CF/OBC在不同温度下的各向异性热导率。（f） CF/OBC的电绝缘性能。（g）示意图，（h）红外图像和（i）样品顶部的温度。在100℃的热阶段，样品顶部的温度。

图4

CF/OBC的机械性能。照片显示了（a）打结的长丝，（b）弯曲和（c）扭曲的灵活性。（d）平行排列和（e）垂直排列的CF/OBC块体的抗压应力-应变曲线。（f）平行结构和垂直结构之间的抗压强度随CF含量增加而变化的比较。

图5

30vol%的CF/OBC切片用于界面热管理。用于LED芯片散热的测试系统的红外图像（a）加热和（b）冷却。(c)原理图和(d)中心区域的平均温度与运行时间的关系。