基于新型CF-CNTs填料的双取向弹性复合材料及其卓越热管理性能研究

针对微电子器件高热流密度(>1 kW/cm2)导致的散热难题，研究人员通过化学气相沉积法在碳纤维(CF)表面垂直生长碳纳米管(CNTs)，构建具有多向导热特性的CF-CNTs填料，并采用单向冷冻铸造技术制备双取向弹性复合材料VACPCN。该材料使芯片工作温度降低6.9°C，光吸收率达97.9%，为微电子热管理和太阳能转换提供了创新解决方案。

　　

随着芯片尺寸不断缩小、集成度持续提升，现代微电子器件的热流密度已突破1 kW/cm²大关，散热问题成为制约其发展的关键瓶颈。传统热界面材料(TIMs)因导热效率不足难以满足需求，而碳基填料如碳纤维(CF)和碳纳米管(CNTs)虽具有超高轴向热导率(CF:150-1000 W·m^-1·K^-1，CNTs:2000-5000 W·m^-1·K^-1)，却面临易团聚、难以形成有效导热网络的挑战。与此同时，太阳能转换领域也亟需高效光热材料。针对这些交叉学科难题，中国碳纤维研究院等机构的研究团队创新性地开发出具有双取向结构的CF-CNTs/PDMS复合材料VACPCN，相关成果发表于《Applied Materials Today》。

研究团队采用化学气相沉积(CVD)在CF表面垂直生长高密度CNTs，通过单向冷冻铸造实现填料定向排列，最后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸渍固化。关键技术包括：1) CVD法构建CF-CNTs异质结构；2) 冷冻铸造实现垂直取向；3) 热压辅助PDMS渗透；4) 使用场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)表征微观结构；5) 激光闪光法测试热扩散系数。

Characterization of CF-CNTs thermal conductive filler
通过FESEM和TEM观察发现，原始CF表面光滑(直径7μm)，经硅烷化改性后表面粗糙度增加。EDS mapping证实Si、O元素在界面均匀分布，CNTs以垂直方式密集生长于CF表面，形成"刺猬状"结构。这种独特构型使热量可沿CF轴向和CNTs径向同步传导。

Conclusion
VACPCN-15复合材料展现出卓越性能：1) 导热系数达15 W·m^-1·K^-1，使芯片工作温度降低6.9°C；2) 在5%低载荷下仍保持23的吸光度和97.9%的吸收率；3) 模拟太阳光照射600秒后温度升至120.1°C，较纯PDMS提高35.1°C；4) 具备优异的热循环和光热循环稳定性。

该研究通过巧妙的异质结构设计和双取向工程，成功解决了传统碳材料分散性差、导热路径单一等核心问题。VACPCN复合材料兼具高效热管理能力和光热转换特性，为下一代微电子散热系统和太阳能利用装置提供了革命性材料解决方案，对推动绿色能源发展和电子器件微型化具有重要意义。