Improving through-plane thermal conductivity of PDMS-based composites using highly oriented carbon fibers bridged by Al2O3 particles

材料科学 复合材料 热导率 聚二甲基硅氧烷 热传导 散热膏 热稳定性 热的 导电体 有限元法 模数 碳纳米管 结构工程 物理 工程类 气象学 量子力学
作者
Ruoyu Huang,Dongliang Ding,Xiaoxiao Guo,Changjiang Liu,Xinhua Li,Gaoxiao Jiang,Yufeng Zhang,Yanhui Chen,Weiwei Cai,Xueao Zhang
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:230: 109717-109717 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2022.109717
摘要

Efficient thermal interface materials (TIMs) are urgently needed for heat dissipation of high-power density electronics. In this study, vinyl polydimethylsiloxane (PDMS) composites with the spatial alignment of carbon fibers (CFs) bridged by Al2O3 particles were fabricated by the flow field. The through-plane thermal conductivity (TPTC) of the composites with 24 vol% CFs and 47 vol% Al2O3 loading reached 38.0 W m−1 K−1. The oriented CFs bridged by Al2O3 acted as the efficient through-plane thermal conductive network. Furthermore, the effects of shape factor (b/a), spatial angle (γ) of CFs, and CF loading (Vf) on the TPTC were quantitatively discussed by steady-state finite element simulation combined with micro-computed tomography and machine learning. The positive contribution of the increased Vf to TPTC was in competition with the negative contribution of b/a and γ, both of which increased with the increase of Vf. Moreover, b/a exerted more negative effects than γ. The PDMS composites demonstrated excellent thermal stability (Td = 407.5 °C, CTE = −55.3 × 10−6 K−1), low compress modulus (1.71 MPa), and hardness (47 (Shore C)), which made them potential candidates for TIMs. This work offers a feasible method to prepare TIMs on large scale and refreshes the thermal conduction mechanism of TIMs by introducing the influencing factors (b/a and γ).
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