现代电子设备的高度集成化和微型化，提高了设备便携性和处理能力的同时，也使“散热”需求愈发突出。导热垫片作为一种柔软、贴合性较好的热界面材料（TIM），通过填充发热元器件和散热器之间的孔隙和缺陷，并排出其中的空气，可以使热量在接触界面处有效地传递，从而增强散热器的散热性能，在散热系统中应用十分广泛。

导热垫片是由高分子聚合物材料为基体，加入导热填料通过加热固化制备得到的一种片状材料，其中导热填料对导热起了关键作用。碳纤维的轴向导热系数可达600~1300w/mk，似乎是一种用于导热垫片的理想填料，但是最初人们把它添加进硅橡胶垫片里的时候，垫片整体的导热率却并没有什么明显的提升，于是研究者对碳纤维导热垫片进行了一系列探究。

热导率的影响因素

碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，具有一定的长径比，因此与氧化铝等球形导热填料不同，其在性能上存在着各向异性，即在不同的方向上导热性呈现出明显差异，其轴向导热系数虽然非常高，但其径向导热系数却仅为 10W/m·K左右，这意味着碳纤维在聚合物基体中的排列对于导热垫片的热导率有着关键的影响。要想用碳纤维制作出高导热的垫片，就必须通过调控聚合物基体中的碳纤维在轴向方向上取向，可以充分利用碳纤维的高导热特性，形成更多的“导热通路”。

常规导热垫片VS碳纤维导热垫片

（来源：苏州泰吉诺）

随机排列（左）与定向排列（右）的碳纤维形成的导热通路

如何使碳纤维定向排布？

通常碳纤维的直径只有10微米左右，若填充在导热垫片里数量动辄就有上亿根，要让它们全部、快速、整齐地排布成同一个角度也是一个难题。目前，主要有冰模板法、剪切力取向法、电场定向法以及磁场定向法等可以实现碳纤维的定向排布

1、冰模板法

冰模板取向法就是通过控制垂直方向上的温度梯度，让冰沿着垂直方向生长制得垂直取向模板的过程。

冰模板法原理（来源：高分子物理学）

在这一过程中，分散在水中的碳纤维会被冰晶所排斥、逼近，并沿着冰整齐排列，形成垂直整齐的取向结构，从而形成良好的导热通道。之后，通过冷冻干燥法去除冰晶，再加入一定比例的预聚物和固化剂，即可制得具有碳纤维定向排布的导热垫片。与传统的共混方法相比，冰模板取向法更充分地利用了一维导热材料在轴向上高导热的特点，通过让碳纤维沿着垂直方向排列，从而在轴向方向上形成导热通道，较无取向碳纤维导热垫片的导热率得到了大幅提升。

冰模板取向法制备取向碳纤维增强导热复合材料的热导率

冰模板法的原理简单，在工业上应用广泛，能够实现在较低填充量下达到较高的热导率，但冰模板取向法制备的取向碳纤维骨架不稳定，且无法实现高填充，这在一定程度上限制了冰模板取向法的应用。

2、剪切力取向法

受到物体在流场中会呈现定向排列的启发，人们把碳纤维添加进流动的液态硅橡胶里，并采取挤出、注塑等工艺对其施加挤出剪切力，使碳纤维在流速方向上发生取向，从而形成高效的导热通道，制备出高导热的碳纤维导热垫片。

利用这种方式，工艺简单，制备易于实施，但由于挤出的流速较难保持一致，一般会呈现中间流速快，贴壁的部分流速较慢，影响碳纤维的取向。

注塑过程中纤维的取向状态

3、电场定向法

电场辅助取向法是将碳纤维置于电场中，根据不同的电场的频率和强度进行排列和分布，让碳纤维在竖直方向上形成导热通路，获得取向碳纤维支架，再将聚合物倒入其中，固化后即可获得具有高导热通路的取向碳纤维导热垫片。

这种方法可以简单有效地控制碳纤维的取向，但由于需要较强的电场强度，因此需要进一步改进和优化，以减少能源消耗。

4、磁场定向法

反磁性是所有物质普遍存在的一种现象，是一种负磁性效应，即在外磁场的作用下，物质会产生一个与外磁场相反方向的微弱磁性，当外磁场足够强时，不管物质有多大多重，都会被磁场改变运动状态。磁场定向法就是利用碳纤维的反磁性效应，在足够强的磁场作用下，碳纤维的运动状态会发生改变，同时由于碳纤维的抗磁性强度也存在各向异性，它还会被磁感线“拉拽”着偏转到一个能让自己平衡的角度，从而实现定向排布。

磁场定向法装置

积水保力马公司的材料学家们就曾用高达7特斯拉的“超级强磁场”，制备出了具有高达90%的取向率的碳纤维导热垫片，并在后续不断调整优化，使其导热率提升至其他材料望尘莫及的35.0～40.0W/m·K。

碳纤维高导热垫片（来源：积水保力马）

但目前由于这种制备工艺较为复杂，制造成本较高，通常仅有导热系数为20~30W/m·K的导热垫片采用这种方法，主要应用于5G基站芯片的散热。

小结

碳纤维在性质上具有各向异性，因此通过控制碳纤维的取向是提升碳纤维导热垫片的导热性能的关键。目前存在的几种取向方法中，冰模板法和剪切力取向法工艺都比较简单，但实现高度可控的高取向度仍然具有挑战性，而利用外场（如电场、磁场等）取向，则存在工艺复杂和成本高等缺点，因此仍需要进一步完善，以实现工程化应用。

参考文章：

1、王大林,缪小冬,杨宝岭等.取向碳纤维/橡胶导热复合材料的研究进展[J].橡胶科技.

2、《被 5G 捧红的“碳纤维导热” 材料 ！》.胶我选.

粉体圈Corange整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。