Поскольку плотность интеграции и удельная мощность электронных компонентов продолжают расти, традиционные материалы для управления температурным режимом все чаще с трудом удовлетворяют требованиям экстремальных сценариев применения. В настоящее время исследователи изучают новые подходы, позволяющие теплу течь «направленным» образом. Волокна с высокой теплопроводностью, с их выраженной анизотропной теплопроводностью-значительно выше вдоль оси волокна, чем в радиальном направлении-, позволяют теплу быстро передаваться по длине волокна, что идеально соответствует этой концепции. В настоящее время эти передовые волокна постепенно переходят от лабораторных исследований к промышленному применению, становясь центром внимания в области управления температурным режимом.
Волокнистые материалы определяются как нитевидные вещества с исключительно высоким соотношением длины-к-диаметру. В практическом производстве теплопроводящие волокна обычно используются в качестве функциональных наполнителей или в качестве непрерывных теплопроводящих каркасов в таких продуктах, как термопрокладки, термоклеи, термопленки и термоинтерфейсные материалы. Их основные преимущества включают в себя:
Высокое соотношение сторон: позволяет формировать непрерывную теплопроводящую сеть даже при низких нагрузках наполнителя, обеспечивая баланс тепловых характеристик с технологичностью.
Анизотропная теплопроводность: теплопроводность вдоль оси волокна значительно выше, чем в радиальном направлении, что способствует эффективной передаче тепла по длине волокна.
Ткачество: позволяет изготавливать гибкие терморегулирующие конструкции, подходящие для сложных изогнутых поверхностей или динамических условий эксплуатации.
Многофункциональная интеграция: некоторые волокна обладают комбинированными свойствами, такими как теплопроводность, электропроводность, армирование и электрическая изоляция, что отвечает различным требованиям применения.
Обычно при одних и тех же условиях, чем выше собственная теплопроводность используемого волокнистого наполнителя, тем выше теплопроводность полученного композиционного материала. Различные типы теплопроводящих волокон имеют определенные преимущества и должны выбираться в зависимости от конкретного применения. Ниже описаны несколько часто используемых типов.
(1) Углеродные волокна на основе мезофазного пека-
Углеродные волокна на основе мезофазного пека- характеризуются высокой молекулярной массой, высокой степенью графитизации, хорошей ароматичностью и высокой кристалличностью. Их теплопроводность может достигать более 800 Вт/(м·К), а модуль упругости - превышать 800 ГПа. Это позволяет им быстро и эффективно проводить тепло в широком диапазоне температур. В настоящее время они часто используются для управления температурным режимом в высокотехнологичных-приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, предлагая оптимальный потенциал легкости при сохранении прочности.
(2) Волокна нитрида бора
Нитрид бора представляет собой изоляционный материал с высокой теплопроводностью (теоретически до 2000 Вт/(м·К)) с большой запрещенной зоной (5,2 эВ) и сотовой атомной структурой, подобной графену. Эти волокна демонстрируют значительный потенциал применения в области терморегулирования-мощных чипов и упаковочных материалов. Однако из-за сложных процессов подготовки современные технологии производства не полностью отработаны, что приводит к потенциальным различиям в качестве и производительности. Крупномасштабное-приложение остается проблемой.
(3) Волокна из углеродных нанотрубок (УНТ)
Волокна из углеродных нанотрубок представляют собой макроскопические материалы, собранные из отдельных углеродных нанотрубок. Их теплопроводность может достигать 3500 Вт/(м·К), что сопровождается сверх-высокой механической прочностью, удлинением при разрыве и гибкостью волокна. Однако к проблемам относятся трудности в достижении равномерного диспергирования при высоких концентрациях и препятствия в крупномасштабном-производстве.
(4) Графеновые волокна
Графеновые волокна обладают такими преимуществами, как низкая плотность, высокая прочность, высокая гибкость и отличные электрические/тепловые свойства, при этом заявленная теплопроводность достигает 5300 Вт/(м·К). Они предлагают высокую гибкость структурного проектирования, настраиваемый состав и соотношение, а также легко контролируемую производительность. Они находят многообещающее применение в высокоэффективных-проводниках, функциональных тканях, датчиках и исполнительных механизмах, волокнистых суперконденсаторах, волокнистых батареях и катализе. Однако их приготовление сложно, затраты высоки, а крупномасштабное производство затруднено.
Теплопроводность волокон по своей природе анизотропна-значительно лучше вдоль оси, чем радиально. Следовательно, достижение контролируемой ориентации волокон внутри матрицы имеет решающее значение для улучшения тепловых характеристик композитов.
Современные методы ориентации, обычно используемые в промышленности, включают:
Ориентация сдвига: во время процессов нанесения покрытия или литья силы сдвига выравнивают волокна вдоль направления потока.
Ориентация горячего прессования: для ориентации волокон применяется давление, обычно в плоскости, перпендикулярной направлению прессования.
Индукция ледяных кристаллов: Направленно выращенные кристаллы льда используются для вытеснения и концентрации волокон, создавая ориентированную структуру, которая подходит для систем с высоким содержанием наполнения.