新型纳米复合薄膜可促进薄电子产品的散热

过去几十年见证了电子技术的巨大进步，随着更薄、更轻、更灵活、更坚固的设备的发展。然而，随着设备变得越来越薄，容纳内部工作组件的空间也越来越小。这造成了薄膜器件散热不当的问题，因为传统的散热器材料体积庞大且无法集成到其中。因此，需要薄且柔韧且可在薄膜装置中实施以有效散热的热扩散材料。

目前，几种基板材料可以作为薄膜的热扩散器，但大多数在面内方向上各向同性地扩散热量。反过来，这可能会对设备的相邻组件产生热干扰。

“对于高密度安装多个器件的基板，需要控制热扩散的方向，找到有效的散热路径，同时在器件之间进行热绝缘。开发平面内具有高各向异性的基板薄膜因此，导热性是一个重要的目标，”日本东京科学大学(TUS)的初级副教授KojiroUetani解释说，他研究先进的导热材料，以前属于SANKEN(科学与工业研究所)，大阪大学。

在最近发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces上的一项研究中，Uetani博士和他的团队，包括来自日本国立工业大学大分学院的助理教授ShotaTsuneyasu和来自东京工业大学的ToshifumiSatoh教授，报告了一项新的研究。开发了由纤维素纳米纤维和碳纤维填料制成的纳米复合薄膜，具有优异的面内各向异性导热性。

已经提出了许多具有导热填料的聚合物复合材料来增强导热性。然而，很少有关于具有颗粒或板状填料的材料表现出导热各向异性的报道，这对于防止相邻器件之间的热干扰很重要。另一方面，碳纤维(CF)等纤维填料由于其结构各向异性，可以在二维材料中提供面内各向异性。

选择具有高导热性的基质也很重要。据报道，从海鞘地幔中提取的纤维素纳米纤维(CNF)具有比传统聚合物更高的热导率(约2.5W/mK)，使其适合用作散热材料。正如用铅笔在纸上书写的能力所表明的那样，纤维素对碳材料具有很高的亲和力，并且易于与CF填料结合。例如，疏水性CF本身不能分散在水中，但在CNF存在的情况下，很容易分散在水中。因此，该团队选择了基于生物的海鞘(海鞘)衍生的CNF作为基质。

对于材料合成，该团队制备了CF和CNF的水悬浮液，然后使用了一种称为液体3D图案化的技术。该过程产生了一种由纤维素基质和单轴排列的碳纤维组成的纳米复合材料。为了测试薄膜的导热性，该团队使用了激光点周期性加热辐射测温法。

他们发现该材料具有433%的高面内热导率各向异性，在对齐方向上的电导率为7.8W/mK，在面内正交方向上的电导率为1.8W/mK。他们还在CF/CNF薄膜上安装了粉末电致发光(EL)装置，以展示有效的散热效果。此外，纳米复合薄膜可以在没有任何热干扰的情况下冷却两个紧密放置的伪热源。

除了优异的热性能外，CF/CNF薄膜的另一个主要优点是它们的可回收性。研究人员能够通过燃烧纤维素基质来提取CF，从而可以重复使用。总体而言，这些发现不仅可以作为设计具有新颖散热模式的二维薄膜的框架，而且还可以促进该过程的可持续性。“我们人类产生的废物会对环境产生巨大的影响。尤其是传热填料，通常是专用且昂贵的材料。因此，我们希望创造一种在使用后不会浪费但可以回收和利用的材料。重复使用以用于进一步的应用，”Uetani博士总结道。