研 究 背 景

随着现代电子元器件不断向小型化、高功率密度方向迭代升级，热在器件内部积聚的问题也日益突出。进而容易引发器件的热致功能失效，严重制约电子设备的性能与使用寿命。为了迎接这一热管理挑战，研发高性能的热界面材料（TIMs）至关重要。它作为“热桥梁”负责连接热源与热沉，将多余的热量快速导出。中间相沥青基碳纤维（MPCF）沿其轴向方向具有超高导热系数，是作为制备高性能热界面材料的理想导热填料。然而，想要制备高性能热界面材料，核心难点在于实现MPCF的精准取向，这一直是行业内亟待突破的技术痛点。

成 果 介 绍

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所江南研究员领导的功能碳素材料团队在开发定向排列高导热系数的碳纤维导热垫片方面取得了最新进展。为解决碳纤维（CF）定向排列这一技术难题，我们团队提出了一种磁电双场协同策略，将低强度磁场（0.2 T）与电场相结合，实现CF在复合材料中的高度取向，CF有效取向度高达91.6%。同时，使用光固化聚乙二醇/聚丙二醇凝胶作为复合材料的聚合物基体。凭借凝胶中存在的大量氢键，使得制备的复合材料在低填料填充下具备一定的自修复性能。并且进一步提升复合材料整体的热学性能。实验结果b表明，在CF负载量为35 wt%时，所制备的复合材料热导率高达84.88 W m^-1 K^-1。这项研究有效解决了传统静电植绒技术取向精度有限的问题，为设计垂直取向碳纤维基高性能热界面材料提供了全新思路，也为先进热管理领域的应用奠定了坚实基础。成果以“Dual-field Synergistic Orientation of Carbon Fibers for High-Efficiency Thermal Management”发表在Carbon Energy上。

图 文 解 析

图1所示，聚乙二醇/聚丙二醇凝胶和复合材料制备示意图，以及复合材料的结构表征。(A) 凝胶制备示意图。(B) 电场与磁场协同对准复合材料制备工艺示意图。(C) MPCF的直径和长径比。(D) MPCF扫描电镜图像和MPCF的长度分布。(E) MPCF的拉曼光谱及ID/IG比值。(F), (G) 复合材料的截面和表面SEM图像。(H) 样品的花朵和蝴蝶形状，弯曲和扭曲的照片。

图2：复合材料的结构表征。(A) 磁场和电场协同作用下CF取向过程的模拟。(B) nE-M-CF和rE-M-CF的表面光学图像和WAXD图。(C) nE-M-CF与rE-M-CF方位角比较。(D)表面XRD谱图。(E)碳纤维轴向和径向对应的晶格面示意图。(F) 不同样品的比值𝑓：I₍₁₀₀₎/ [I₍₁₀₀₎ + I₍₀₀₂₎]的值。(G) CFs与通平面方向夹角α示意图。(H) rE-M-CF角度分布结果的颜色映射模型。(I) 基于Micro-CT模型的CFs角度分布概率统计图。

图3：复合材料的热学性能。(A) CF随机排列和垂直排列结构复合材料的瞬态温度分布的传热模拟。(B) 热量传输示意图和模拟结果温度梯度分布曲线。(C) 凝胶和rE-M-CF的比热容受温度变化的影响。(D) 不同CF含量下nE-M-CF和rE-M-CF的导热系数。(E) rE-M-CF和nE-M-CF导热系数的受温度变化的影响。(F) rE-M-CF在20次冷热循环中的热扩散变化。(G) CF基复合材料的TCEE比较。

图4：复合材料模拟实际应用性能。(A) 测试原理图。(B) 不同功率密度下陶瓷加热片的温度变化。(C) 在不同功率密度加热后的斜率图。(D) 陶瓷加热片在2000次热负荷循环试验中的温度变化。(E) rE-M-CF和DT4电工纯铁在加热台上红外图像。(F) 测试装置示意图（A：样品；B: DT4电工纯铁）。(G) DT4纯铁和rE-M-CF的表面温度随加热时间的变化。(H) 无线充电的示意图。(I) 无线充电装置的光学图。(J) 模拟无线充电散热实验中不使用TIM和使用rE-M-CF情况的充电功率变化。(K) 同功率下两种的温度对比。

作者简介

江南，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向：表界面化学与物理。博士毕业于日本大阪大学，同年留校做博士后研究。作为主要负责人研发的新型碳基导热复合材料项目荣获第47届“R&D100 Awards”。近年来在相关科研领域发表论文200余篇，申请专利50余项。

虞锦洪，上海交通大学博士，研究员、博士生导师。从事高导热复合材料和半导体材料的研发，以第一和通讯作者发表SCl论文150余篇，被引18000余次，H因子74，主持国家自然科学基金、国家重点研究计划子课题、军工项目和企业委托项目十余项，获省部级三等奖共3项。

李茂华，博士，助理研究员。主要研究方向：高分子材料合成、导热复合材料。2023年毕业于宁波诺丁汉大学，已发表SCI论文45篇，H因子22。

赵祖鉴，硕士。主要研究方向：碳纤维导热复合材料的制备。2026年毕业于宁波大学材料科学与化学工程学院，目前就读于湖南大学，已发表SCI论文三篇。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Dual-Field Synergistic Orientation of Carbon Fibers for High-Efficiency Thermal Management

文章研究方向：

复合材料— —导热复合材料，碳纤维复合材料，填料空间取向

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70245

DOI: 10.1002/cey2.70245

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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