【摘 要】
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随着电力电子设备向小型化与集成化方向发展,功率器件单位面积功率密度迅速升高,器件的有效散热问题也逐渐成为限制其发展的重要原因之一。而热界面材料（TIM）是器件散热的重要组成部分,在电力电子、通信以及汽车电子等领域有广泛应用。如何在较低的导热材料填充量下实现更高的导热系数是目前急需攻克的难点。冷冻铸造制备的TIM虽然比传统的TIM导热系数有很大提升,但由于高导热骨架内低维（一维、二维）导热材料在骨架
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随着电力电子设备向小型化与集成化方向发展,功率器件单位面积功率密度迅速升高,器件的有效散热问题也逐渐成为限制其发展的重要原因之一。而热界面材料（TIM）是器件散热的重要组成部分,在电力电子、通信以及汽车电子等领域有广泛应用。如何在较低的导热材料填充量下实现更高的导热系数是目前急需攻克的难点。冷冻铸造制备的TIM虽然比传统的TIM导热系数有很大提升,但由于高导热骨架内低维（一维、二维）导热材料在骨架内的随机分布,其导热系数还有较大的提升空间。本文提出对冷冻铸造多孔骨架中的碳纳米纤维（CNFs）进行定向以进一步提高TIM的导热性能,并采用数值模拟方法研究了CNFs取向性以及CNFs填充分数等关键参数对CNFs多孔骨架及TIM复合材料导热系数的影响规律,为新型高性能TIM复合材料制备及其导热性能预测提供理论指导。本论文首先以CNFs为原料,通过冷冻铸造法制备了一种垂直排列的定向CNFs多孔骨架,填充聚合物硅橡胶（SR）后制备了定向CNFs骨架/SR复合TIM。研究了不同CNFs体积填充分数对TIM导热系数的影响规律。结果表明,在所研究的CNFs填充分数范围内,随着CNFs填充分数升高,定向CNFs骨架/SR复合材料导热系数几乎呈现线性增长趋势,在7.56vol%的低填充分数下达到了2.68W/（m·K）的高导热系数,比随机填充CNFs/SR复合材料的导热系数0.68W/（m·K）提升了4倍左右。构建了CNFs骨架和随机填充CNFs/SR复合材料的体积代表单元（RVE）模型,通过有限元方法模拟了两种复合材料中的热输运过程。两个模型的数值模拟结果均与实验测试结果吻合较好,验证了数值分析模型和计算方法的可靠性。在此基础上,对定向CNFs骨架/SR复合材料的多个微观参数:CNFs与SR的界面热阻、骨架的CNFs体积填充分数、CNFs的取向性对复合材料导热性能的影响进行了分析。结果表明,界面热阻是影响定向CNFs骨架/SR复合材料导热系数主要因素,界面热阻从0到5×10-7 m~2·K·W-1增加时,定向CNFs骨架/SR复合材料的导热系数呈负幂函数规律降低;骨架的CNFs体积填充分数在10%～20%变化时,定向CNFs骨架/SR复合材料的导热系数呈线性规律升高;CNFs在导热方向的取向性越强,定向CNFs骨架/SR复合材料的导热系数随取向性因子呈二次方规律升高。这些特点为以后制备更高导热系数的CNFs/SR复合材料提供了理论依据与指导。
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