Terwijl de integratiedichtheid en vermogensdichtheid van elektronische componenten blijven stijgen, hebben traditionele materialen voor thermisch beheer steeds meer moeite om te voldoen aan de eisen van extreme toepassingsscenario's. Onderzoekers onderzoeken nu nieuwe benaderingen om warmte zelf op een ‘gerichte’ manier te laten stromen. Zeer thermisch geleidende vezels, met hun uitgesproken anisotrope thermische geleidbaarheid-aanzienlijk hoger langs de vezelas dan in de radiale richting-laten warmte snel over de vezellengte overdragen, wat perfect aansluit bij dit concept. Momenteel maken deze geavanceerde vezels geleidelijk de overstap van laboratoriumonderzoek naar industriële toepassingen en worden ze een centraal punt op het gebied van thermisch beheer.
Vezelachtige materialen worden gedefinieerd als draadvormige stoffen met een uitzonderlijk hoge lengte-tot-diameterverhouding. Bij de praktische productie worden thermisch geleidende vezels gewoonlijk gebruikt als functionele vulstoffen of als continue thermisch geleidende skeletten in producten zoals thermische kussens, thermische kleefstoffen, thermische films en thermische interfacematerialen. Hun belangrijkste voordelen zijn onder meer:
Hoge aspectverhouding: Maakt de vorming van een continu thermisch geleidend netwerk mogelijk, zelfs bij lage vulstofbelastingen, waarbij thermische prestaties in evenwicht worden gebracht met verwerkbaarheid.
Anisotrope thermische geleidbaarheid: De thermische geleidbaarheid langs de vezelas is aanzienlijk hoger dan in de radiale richting, waardoor een efficiënte warmteoverdracht langs de vezellengte wordt vergemakkelijkt.
Weefbaarheid: Maakt de fabricage mogelijk van flexibele thermische beheerstructuren die geschikt zijn voor complexe gebogen oppervlakken of dynamische bedrijfsomstandigheden.
Multifunctionele integratie: Bepaalde vezels bezitten gecombineerde eigenschappen zoals thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid, versterking en elektrische isolatie, waardoor ze voldoen aan diverse toepassingsvereisten.
In het algemeen geldt dat hoe hoger de intrinsieke thermische geleidbaarheid van het gebruikte vezelvulmiddel, hoe hoger de thermische geleidbaarheid van het resulterende composietmateriaal is. Verschillende soorten thermisch geleidende vezels bieden duidelijke voordelen en moeten worden geselecteerd op basis van de specifieke toepassing. Hieronder worden een aantal veelgebruikte typen beschreven.
(1) Mesofase-pitch-gebaseerde koolstofvezels
Koolstofvezels op basis van mesofase-pek- worden gekenmerkt door een hoog molecuulgewicht, een hoge mate van grafitisering, goede aromatische eigenschappen en hoge kristalliniteit. Hun thermische geleidbaarheid kan oplopen tot meer dan 800 W/(m·K), en hun elastische modulus kan groter zijn dan 800 GPa. Hierdoor kunnen ze warmte snel en effectief geleiden over een breed temperatuurbereik. Momenteel worden ze vaak gebruikt bij thermisch beheer voor hoogwaardige- toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart, waarbij ze een optimaal lichtgewichtpotentieel bieden met behoud van sterkte.
(2) Boornitridevezels
Boornitride is een zeer thermisch geleidend (theoretisch tot 2000 W/(m·K)) isolatiemateriaal met een grote bandafstand (5,2 eV) en een atomaire honingraatstructuur vergelijkbaar met grafeen. Deze vezels vertonen een aanzienlijk toepassingspotentieel op het gebied van thermisch beheer voor krachtige-chips en verpakkingsmaterialen. Als gevolg van complexe bereidingsprocessen zijn de huidige productietechnieken echter nog niet volledig volwassen, wat leidt tot potentiële variabiliteit in kwaliteit en prestaties. Grootschalige toepassing- blijft een uitdaging.
(3) Koolstofnanobuisjes (CNT) vezels
Koolstofnanobuisvezels zijn macroscopische materialen samengesteld uit individuele koolstofnanobuisjes. Hun thermische geleidbaarheid kan oplopen tot 3500 W/(m·K), vergezeld van ultra-hoge mechanische sterkte, rek bij breuk en vezelflexibiliteit. Tot de uitdagingen behoren echter problemen bij het bereiken van uniforme verspreiding bij hoge concentraties en obstakels bij grootschalige productie-.
(4) Grafeenvezels
Grafeenvezels bezitten voordelen zoals een lage dichtheid, hoge sterkte, hoge flexibiliteit en uitstekende elektrische/thermische eigenschappen, met een gerapporteerde thermische geleidbaarheid die kan oplopen tot 5300 W/(m·K). Ze bieden een hoge structurele ontwerpflexibiliteit, instelbare samenstelling en verhouding, en zeer regelbare prestaties. Ze laten veelbelovende toepassingen zien in hoogwaardige geleiders, functionele stoffen, sensoren en actuatoren, vezelachtige supercondensatoren, vezelachtige batterijen en katalyse. De voorbereiding ervan is echter complex, de kosten zijn hoog en de productie op grote- schaal is moeilijk.
De thermische geleidbaarheid van vezels is inherent anisotroop-significant beter langs de as dan radiaal. Daarom is het bereiken van een gecontroleerde oriëntatie van vezels binnen een matrix cruciaal voor het verbeteren van de thermische prestaties van composieten.
De huidige oriëntatiemethoden die vaak in de industrie worden gebruikt, zijn onder meer:
Afschuifrichting: Tijdens coating- of gietprocessen worden de vezels door schuifkrachten in de stromingsrichting uitgelijnd.
Heetpersrichting: Er wordt druk uitgeoefend om de vezels te oriënteren, meestal in het vlak loodrecht op de persrichting.
IJskristalinductie: Richtingwaarts gegroeide ijskristallen worden gebruikt om vezels te verdrijven en te concentreren, waardoor een georiënteerde structuur ontstaat die geschikt is voor sterk gevulde systemen.