Тъй като плътността на интеграция и плътността на мощността на електронните компоненти продължават да нарастват, традиционните материали за управление на топлината все повече се борят да отговорят на изискванията на екстремни сценарии на приложение. Сега изследователите изследват нови подходи, за да позволят на самата топлина да тече по "насочен" начин. Силно топлопроводимите влакна, с тяхната ясно изразена анизотропна топлопроводимост-значително по-висока по оста на влакното, отколкото в радиална посока-позволяват бързо пренасяне на топлина по дължината на влакното, идеално подравнявайки се с тази концепция. В момента тези усъвършенствани влакна постепенно преминават от лабораторни изследвания към индустриални приложения, превръщайки се във фокусна точка в областта на управлението на топлината.
Влакнестите материали се определят като нишковидни вещества с изключително високо съотношение на дължина-към-диаметър. В практическото производство топлопроводимите влакна обикновено се използват като функционални пълнители или като непрекъснати топлопроводими скелети в продукти като термични подложки, термични лепила, термични филми и материали за термичен интерфейс. Техните основни предимства включват:
Високо аспектно съотношение: Позволява образуването на непрекъсната топлопроводима мрежа дори при ниски натоварвания на пълнителя, балансирайки топлинната ефективност с възможността за обработка.
Анизотропна топлопроводимост: Топлинната проводимост по оста на влакното е значително по-висока, отколкото в радиална посока, което улеснява ефективен пренос на топлина по дължината на влакното.
Тъкане: Позволява производството на гъвкави структури за термично управление, подходящи за сложни извити повърхности или динамични работни условия.
Многофункционална интеграция: Някои влакна притежават комбинирани свойства като топлопроводимост, електрическа проводимост, армировка и електрическа изолация, отговарящи на различни изисквания за приложение.
Обикновено, при същите условия, колкото по-висока е присъщата топлопроводимост на използвания пълнител от влакна, толкова по-висока е топлопроводимостта на получения композитен материал. Различните видове топлопроводими влакна предлагат различни предимства и трябва да бъдат избрани въз основа на конкретното приложение. По-долу са описани няколко често използвани типа.
(1) Мезофазна смола-Въглеродни влакна
Въглеродните влакна на базата на мезофазна смола- се характеризират с високо молекулно тегло, висока степен на графитизация, добра ароматност и висока кристалност. Тяхната топлопроводимост може да достигне над 800 W/(m·K), а еластичният им модул може да надхвърли 800 GPa. Това им позволява да провеждат топлина бързо и ефективно в широк температурен диапазон. Понастоящем те често се използват при термично управление за приложения от висок-клас като космическото пространство, като предлагат оптимален потенциал за олекотяване, като същевременно запазват здравината.
(2) Влакна от борен нитрид
Борният нитрид е силно топлопроводим (теоретично до 2000 W/(m·K)) изолационен материал с голяма ширина на лентата (5,2 eV) и атомна структура на пчелна пита, подобна на графена. Тези влакна показват значителен потенциал за приложение в управлението на топлината за високо-мощни чипове и опаковъчни материали. Въпреки това, поради сложните процеси на подготовка, настоящите производствени техники не са напълно зрели, което води до потенциална променливост в качеството и производителността. Широкомащабното-приложение остава предизвикателство.
(3) Влакна от въглеродни нанотръби (CNT).
Влакната от въглеродни нанотръби са макроскопични материали, сглобени от отделни въглеродни нанотръби. Тяхната топлопроводимост може да достигне до 3500 W/(m·K), придружена от ултра-висока механична якост, удължение при скъсване и гъвкавост на влакната. Предизвикателствата обаче включват трудност при постигане на равномерно разпръскване при високи концентрации и пречки при широко{4}}мащабно производство.
(4) Графенови влакна
Графеновите влакна притежават предимства като ниска плътност, висока якост, висока гъвкавост и отлични електрически/термични свойства, като докладваната топлопроводимост достига до 5300 W/(m·K). Те предлагат висока гъвкавост на структурния дизайн, регулируем състав и съотношение и високо контролируема производителност. Те показват обещаващи приложения във високо-ефективни проводници, функционални тъкани, сензори и задвижващи механизми, влакнести суперкондензатори, влакнести батерии и катализа. Подготовката им обаче е сложна, разходите са високи и -производството в голям мащаб е трудно.
Топлинната проводимост на влакната по своята същност е анизотропна-значително по-добра по оста, отколкото радиално. Следователно, постигането на контролирана ориентация на влакната в матрицата е от решаващо значение за подобряване на топлинните характеристики на композитите.
Настоящите методи за ориентиране, които обикновено се използват в индустрията, включват:
Ориентация на срязване: По време на процеси на нанасяне на покритие или леене, силите на срязване подравняват влакната по посока на потока.
Ориентация при горещо пресоване: Прилага се натиск, за да се ориентират влакната, обикновено в равнината, перпендикулярна на посоката на пресоване.
Индукция на ледени кристали: Насочено отгледани ледени кристали се използват за изтласкване и концентриране на влакна, създавайки ориентирана структура, която е подходяща за силно напълнени системи.