Kako gustina integracije i gustina snage elektronskih komponenti nastavljaju da raste, tradicionalni materijali za upravljanje toplotom se sve više bore da ispune zahteve ekstremnih scenarija primene. Istraživači sada istražuju nove pristupe kako bi omogućili samoj toplini da teče na "usmjeren" način. Visoko termički provodljiva vlakna, sa njihovom izraženom anizotropnom toplotnom provodljivošću-znatno višom duž ose vlakna nego u radijalnom smjeru-omogućavaju brzi prijenos topline duž dužine vlakna, savršeno u skladu s ovim konceptom. Trenutno, ova napredna vlakna postepeno prelaze iz laboratorijskih istraživanja u industrijsku primjenu, postajući žarište u području upravljanja toplinom.
Vlaknasti materijali su definirani kao filamentne tvari s izuzetno velikim omjerom dužine-prema-promjeru. U praktičnoj proizvodnji, toplotno provodljiva vlakna se obično koriste kao funkcionalna punila ili kao neprekidni toplotno vodljivi skeleti u proizvodima kao što su termički jastučići, termički lepkovi, termalni filmovi i materijali za termičko povezivanje. Njihove osnovne prednosti uključuju:
Visok omjer širine i visine: Omogućava formiranje kontinuirane toplinski provodljive mreže čak i pri niskim opterećenjima punila, balansirajući toplinske performanse sa sposobnošću obrade.
Anizotropna toplotna provodljivost: Toplotna provodljivost duž ose vlakna je znatno veća nego u radijalnom smeru, što omogućava efikasan prenos toplote duž dužine vlakna.
Mogućnost tkanja: Omogućava izradu fleksibilnih struktura za upravljanje toplotom pogodnih za složene zakrivljene površine ili dinamičke uslove rada.
Multifunkcionalna integracija: Određena vlakna poseduju kombinovana svojstva kao što su toplotna provodljivost, električna provodljivost, ojačanje i električna izolacija, ispunjavajući različite zahteve primene.
Generalno, pod istim uslovima, što je veća intrinzična toplotna provodljivost upotrebljenog vlaknastog punila, to je veća toplotna provodljivost rezultirajućeg kompozitnog materijala. Različite vrste toplotno provodljivih vlakana nude jasne prednosti i moraju se birati na osnovu specifične primene. U nastavku je opisano nekoliko najčešće korištenih tipova.
(1) Ugljična vlakna na bazi mezofaznog nagiba{1}}
Ugljična vlakna zasnovana na mezofaznoj smoli{0}}odlikuju se velikom molekularnom težinom, visokim stepenom grafitizacije, dobrom aromatičnošću i visokom kristalnošću. Njihova toplotna provodljivost može doseći preko 800 W/(m·K), a modul elastičnosti može premašiti 800 GPa. Ovo im omogućava da brzo i efikasno provode toplotu u širokom temperaturnom opsegu. Trenutno se često koriste u termičkom upravljanju za vrhunske-aplikacije kao što je svemir, nudeći optimalan potencijal lagane težine uz zadržavanje snage.
(2) Bornitridna vlakna
Bor nitrid je visoko toplotno provodljiv (teoretski do 2000 W/(m·K)) izolacioni materijal sa velikim razmakom pojasa (5,2 eV) i atomskom strukturom saća sličnom grafenu. Ova vlakna pokazuju značajan potencijal primjene u termičkom upravljanju za čipove velike snage-i materijale za pakovanje. Međutim, zbog složenih procesa pripreme, trenutne proizvodne tehnike nisu u potpunosti zrele, što dovodi do potencijalne varijabilnosti u kvaliteti i performansama. Velika-primjena ostaje izazov.
(3) Vlakna od ugljeničnih nanocevi (CNT).
Vlakna od ugljeničnih nanocevi su makroskopski materijali sastavljeni od pojedinačnih ugljeničnih nanocevi. Njihova toplotna provodljivost može doseći i do 3500 W/(m·K), praćena ultra-visokom mehaničkom čvrstoćom, izduženjem pri prekidu i fleksibilnošću vlakana. Međutim, izazovi uključuju poteškoće u postizanju ujednačene disperzije pri visokim koncentracijama i prepreke u-velikoj proizvodnji.
(4) Grafenska vlakna
Grafenska vlakna poseduju prednosti kao što su niska gustina, visoka čvrstoća, visoka fleksibilnost i odlična električna/termička svojstva, sa prijavljenom toplotnom provodljivošću koja dostiže i do 5300 W/(m·K). Nude visoku fleksibilnost strukturalnog dizajna, podesivu kompoziciju i omjer, te performanse koje se mogu kontrolirati. Oni pokazuju obećavajuće primjene u provodnicima visokih{3}}performansi, funkcionalnim tkaninama, senzorima i aktuatorima, vlaknastim superkondenzatorima, vlaknastim baterijama i katalizi. Međutim, njihova priprema je složena, troškovi su visoki, a proizvodnja-velikih razmera teška.
Toplotna provodljivost vlakana je inherentno anizotropna-značajno bolja duž ose nego radijalno. Stoga je postizanje kontrolirane orijentacije vlakana unutar matrice ključno za poboljšanje toplinskih performansi kompozita.
Trenutne metode orijentacije koje se obično koriste u industriji uključuju:
Orijentacija na smicanje: Tokom procesa premazivanja ili livenja, smične sile poravnavaju vlakna duž pravca strujanja.
Orijentacija vrućeg presovanja: Pritisak se primjenjuje na orijentirana vlakna, obično u ravni koja je okomita na smjer presovanja.
Indukcija ledenih kristala: Usmjereno uzgojeni kristali leda se koriste za izbacivanje i koncentriranje vlakana, stvarajući orijentiranu strukturu, koja je pogodna za visoko popunjene sisteme.