Καθώς η πυκνότητα ενσωμάτωσης και η πυκνότητα ισχύος των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων συνεχίζουν να αυξάνονται, τα παραδοσιακά υλικά θερμικής διαχείρισης αγωνίζονται ολοένα και περισσότερο να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις ακραίων σεναρίων εφαρμογής. Οι ερευνητές διερευνούν τώρα νέες προσεγγίσεις για να επιτρέψουν στην ίδια τη θερμότητα να ρέει με «κατευθυνόμενο» τρόπο. Οι εξαιρετικά θερμικά αγώγιμες ίνες, με την έντονη ανισότροπη θερμική αγωγιμότητά τους-σημαντικά υψηλότερη κατά μήκος του άξονα των ινών από ό,τι στην ακτινική διεύθυνση-επιτρέπουν στη θερμότητα να μεταφέρεται γρήγορα κατά μήκος του μήκους της ίνας, ευθυγραμμίζοντας τέλεια με αυτήν την ιδέα. Επί του παρόντος, αυτές οι προηγμένες ίνες μεταβαίνουν σταδιακά από την εργαστηριακή έρευνα σε βιομηχανικές εφαρμογές, αποτελώντας κομβικό σημείο στον τομέα της θερμικής διαχείρισης.
Τα ινώδη υλικά ορίζονται ως νηματώδεις ουσίες με εξαιρετικά υψηλή αναλογία μήκους-προς-διαμέτρου. Στην πρακτική παραγωγή, οι θερμικά αγώγιμες ίνες χρησιμοποιούνται συνήθως ως λειτουργικά πληρωτικά ή ως συνεχείς θερμικά αγώγιμοι σκελετοί σε προϊόντα όπως θερμικά επιθέματα, θερμικές κόλλες, θερμικές μεμβράνες και υλικά θερμικής διεπαφής. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:
High Aspect Ratio: Επιτρέπει το σχηματισμό ενός συνεχούς θερμικά αγώγιμου δικτύου ακόμη και σε χαμηλές φορτίσεις πλήρωσης, εξισορροπώντας τη θερμική απόδοση με τη δυνατότητα επεξεργασίας.
Ανισότροπη θερμική αγωγιμότητα: Η θερμική αγωγιμότητα κατά μήκος του άξονα των ινών είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι στην ακτινική κατεύθυνση, διευκολύνοντας την αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας κατά μήκος του μήκους της ίνας.
Υφανσιμότητα: Επιτρέπει την κατασκευή εύκαμπτων δομών θερμικής διαχείρισης κατάλληλων για περίπλοκες καμπύλες επιφάνειες ή δυναμικές συνθήκες λειτουργίας.
Πολυλειτουργική ολοκλήρωση: Ορισμένες ίνες διαθέτουν συνδυασμένες ιδιότητες όπως θερμική αγωγιμότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, ενίσχυση και ηλεκτρική μόνωση, ικανοποιώντας διαφορετικές απαιτήσεις εφαρμογής.
Γενικά, υπό τις ίδιες συνθήκες, όσο υψηλότερη είναι η εγγενής θερμική αγωγιμότητα του χρησιμοποιούμενου πληρωτικού υλικού, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του προκύπτοντος σύνθετου υλικού. Διαφορετικοί τύποι θερμικά αγώγιμων ινών προσφέρουν ξεχωριστά πλεονεκτήματα και πρέπει να επιλέγονται με βάση τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Αρκετοί τύποι που χρησιμοποιούνται συνήθως περιγράφονται παρακάτω.
(1) Μεσοφάση Pitch-Βάσει ινών άνθρακα
Οι ίνες άνθρακα με βάση το βήμα μεσοφάσης- χαρακτηρίζονται από υψηλό μοριακό βάρος, υψηλό βαθμό γραφιτοποίησης, καλή αρωματικότητα και υψηλή κρυσταλλικότητα. Η θερμική τους αγωγιμότητα μπορεί να φτάσει πάνω από 800 W/(m·K) και ο συντελεστής ελαστικότητάς τους μπορεί να ξεπεράσει τα 800 GPa. Αυτό τους επιτρέπει να μεταφέρουν τη θερμότητα γρήγορα και αποτελεσματικά σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται συχνά στη θερμική διαχείριση για εφαρμογές υψηλών-τερμάτων όπως η αεροδιαστημική, προσφέροντας βέλτιστο δυναμικό ελαφρού βάρους διατηρώντας παράλληλα την αντοχή.
(2) Ίνες νιτριδίου βορίου
Το νιτρίδιο του βορίου είναι ένα εξαιρετικά θερμικά αγώγιμο (θεωρητικά έως 2000 W/(m·K)) μονωτικό υλικό με μεγάλο διάκενο ζώνης (5,2 eV) και ατομική δομή κηρήθρας παρόμοια με το γραφένιο. Αυτές οι ίνες παρουσιάζουν σημαντικές δυνατότητες εφαρμογής στη θερμική διαχείριση για-τσιπ και υλικά συσκευασίας υψηλής ισχύος. Ωστόσο, λόγω πολύπλοκων διαδικασιών προετοιμασίας, οι τρέχουσες τεχνικές κατασκευής δεν είναι πλήρως ώριμες, οδηγώντας σε πιθανή διακύμανση στην ποιότητα και την απόδοση. Η εφαρμογή μεγάλης κλίμακας-παραμένει πρόκληση.
(3) Ίνες Νανοσωλήνων άνθρακα (CNT).
Οι ίνες νανοσωλήνων άνθρακα είναι μακροσκοπικά υλικά που συναρμολογούνται από μεμονωμένους νανοσωλήνες άνθρακα. Η θερμική τους αγωγιμότητα μπορεί να φτάσει έως και τα 3500 W/(m·K), συνοδευόμενη από εξαιρετικά-υψηλή μηχανική αντοχή, επιμήκυνση κατά τη θραύση και ευκαμψία των ινών. Ωστόσο, οι προκλήσεις περιλαμβάνουν δυσκολία στην επίτευξη ομοιόμορφης διασποράς σε υψηλές συγκεντρώσεις και εμπόδια στην παραγωγή μεγάλης- κλίμακας.
(4) Ίνες γραφενίου
Οι ίνες γραφενίου διαθέτουν πλεονεκτήματα όπως χαμηλή πυκνότητα, υψηλή αντοχή, υψηλή ευελιξία και εξαιρετικές ηλεκτρικές/θερμικές ιδιότητες, με αναφερόμενη θερμική αγωγιμότητα που φτάνει έως και 5300 W/(m·K). Προσφέρουν υψηλή δομική ευελιξία σχεδιασμού, ρυθμίσιμη σύνθεση και αναλογία και εξαιρετικά ελεγχόμενη απόδοση. Παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενες εφαρμογές σε αγωγούς-υψηλής απόδοσης, λειτουργικά υφάσματα, αισθητήρες και ενεργοποιητές, ινώδεις υπερπυκνωτές, ινώδεις μπαταρίες και κατάλυση. Ωστόσο, η προετοιμασία τους είναι πολύπλοκη, το κόστος είναι υψηλό και η παραγωγή μεγάλης κλίμακας δύσκολη.
Η θερμική αγωγιμότητα των ινών είναι εγγενώς ανισότροπη-σημαντικά καλύτερη κατά μήκος του άξονα παρά ακτινικά. Επομένως, η επίτευξη ελεγχόμενου προσανατολισμού των ινών εντός μιας μήτρας είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της θερμικής απόδοσης των σύνθετων υλικών.
Οι τρέχουσες μέθοδοι προσανατολισμού που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία περιλαμβάνουν:
Προσανατολισμός διάτμησης: Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών επίστρωσης ή χύτευσης, οι δυνάμεις διάτμησης ευθυγραμμίζουν τις ίνες κατά μήκος της κατεύθυνσης ροής.
Προσανατολισμός θερμής πίεσης: Εφαρμόζεται πίεση για τον προσανατολισμό των ινών, συνήθως στο επίπεδο κάθετο προς την κατεύθυνση πίεσης.
Επαγωγή κρυστάλλων πάγου: Οι κρύσταλλοι πάγου που αναπτύσσονται κατευθυντικά χρησιμοποιούνται για την αποβολή και τη συμπύκνωση ινών, δημιουργώντας μια προσανατολισμένη δομή, η οποία είναι κατάλληλη για συστήματα υψηλής πλήρωσης.