01 背景

近年来，随着AI服务器、高性能GPU、先进封装及新能源汽车等领域持续向更高功率密度发展，热管理已成为影响器件性能、可靠性及寿命的关键因素。作为连接芯片与散热器之间的重要媒介，热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）承担着降低界面热阻、提升热量传输效率的重要作用。然而，随着芯片热流密度不断攀升，传统TIM在导热性能、柔顺性及长期可靠性方面正面临越来越大的挑战。

目前，高导热聚合物TIM通常需要引入大量陶瓷或碳基填料来构建导热网络，但高填充量往往会导致材料变硬、加工困难，并增加界面热阻。因此，如何在较低填充量下构建连续、高效的导热通路，成为高性能TIM研究的重要方向。

碳纤维（Carbon Fiber，CF）因具有较高本征热导率、较低密度以及良好的力学性能，被广泛应用于导热复合材料。然而，随机分散的碳纤维难以形成连续的导热网络，限制了复合材料导热性能的进一步提升。近年来，研究人员开始尝试利用磁场、电场、3D打印等方法诱导碳纤维定向排列，以构建沿厚度方向的高效导热通道，但如何实现快速、高度一致且可规模化的垂直取向仍然是一个挑战。

02 成果掠影

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所江南研究员江南、虞锦洪以及李茂华图团队实现碳纤维在聚合物凝胶中的高度垂直排列，并制备出一种兼具高导热、柔软性及优异热稳定性的新型碳纤维/凝胶热界面材料（CF/Gel TIM）。本研究首先利用磁场实现碳纤维沿磁力线定向排列，再通过优化电场方向及作用方式，使碳纤维能够均匀嵌入聚合物凝胶内部，并最终形成高度连续的三维垂直导热通道。相比传统单向电场制备方法，双场协同策略能够显著提升碳纤维排列一致性和导热网络完整性。

实验结果表明，在35 wt%碳纤维填充量下，优化后的碳纤维/凝胶复合材料（rE-M-CF）厚度方向热导率达到84.88 W/(m·K)，远高于普通聚合物TIM，并保持了凝胶材料优异的柔软性和适度黏附性。同时，材料具有较高的比热容和良好的热稳定性，在20次冷热循环以及20%压缩应变条件下仍能保持约80%的导热性能，表现出良好的长期服役能力。为评价材料的导热增强效率，作者进一步引入热导率提升效率（Thermal Conductivity Enhancement Efficiency，TCEE）指标。结果显示，该材料TCEE达到1351%，明显优于近年来报道的大多数碳纤维基聚合物导热复合材料，说明双场协同构筑的高取向导热网络能够以较低填充量实现更高导热性能。

在实际热管理测试中，研究团队搭建了TIM性能评价平台，将该材料应用于陶瓷加热器和MOSFET无线充电模块散热。实验结果显示，在50 W/cm²热流密度下，采用该TIM后，热源稳态温度相比未使用TIM降低74.2 ℃，相比商业碳纤维TIM进一步降低15.2 ℃；对应等效换热系数提升至0.89 W/(cm²·K)，较商业TIM提高约25%。在无线充电模块中，该材料可使MOSFET工作温度降低约4 ℃，有效提升器件散热能力及运行可靠性。该双场协同定向策略不仅显著缩短了传统热固化TIM的制备周期，同时为构建高度取向碳纤维导热网络提供了新的技术路径，有望在AI芯片、高性能计算、功率电子及无线充电等高热流密度电子器件热管理领域获得应用。研究成果以“Dual-field Synergistic Orientation of Carbon Fibers for High-Efficiency Thermal Management”为题，发表于《Carbon Energy》期刊。

03 图文导读

TIM的研究重点正从“提高填料含量”逐步转向“优化导热网络结构”。简单增加填料虽然能够提升导热率，但往往会牺牲材料的柔顺性、加工性能和界面贴合能力。这项工作的创新点，在于利用电场+磁场双场协同实现碳纤维高度垂直取向，在仅35 wt%填充量下构建连续的厚度方向导热通路，实现了84.88 W/(m·K)的厚度方向热导率，并在实际TIM测试中展现出优于商业产品的散热性能。

随着AI GPU、HBM先进封装及高功率功率器件不断向更高热流密度发展，兼具高导热、低热阻、柔性和可靠性的新一代TIM将成为未来热管理领域的重要发展方向。这项研究提出的双场协同定向方法，也为碳纤维基热界面材料的结构设计和规模化制备提供了一种值得关注的新思路。

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。

图2：复合材料的结构表征

图3：复合材料的热学性能。

图4：复合材料模拟实际应用性能。