Nano Res.│碳纳米管材料在热管理中的研究

背景介绍

如何实现高效的热管理已经成为电子设备、能量转化与存储等器件发展中亟需解决的问题之一，这已成为业界共识。例如，手机、笔记本等移动电子设备日趋小型化与多功能化，使得功率密度增高，热负载增大，过高的温度将严重影响电子设备的运行速度和稳定性。自1991年碳纳米管被Iijima发现以来，碳纳米管优异的热学性质受到了人们的广泛关注与深入研究，此外，鉴于碳纳米管优异的化学稳定性和力学性能，碳纳米管材料被认为在热管理方面具有很高的研究及应用价值。

成果简介

清华大学物理系、清华-富士康纳米科技研究中心研究团队发表综述文章，系统性地概述了碳纳米管材料在热管理方面的研究进展。该综述文章以单根碳纳米管的热学性质为出发点，介绍了碳纳米管基复合材料热导率的增强性能。详细分析与总结了顺排碳纳米管材料（顺排碳纳米管阵列、薄膜/巴基纸、纤维）的热导率大小及碳纳米管材料与基底间的接触热阻。展示了目前碳纳米管材料在被动散热（热辐射、自然对流以及相变散热）方面的研究进展。

最后，通过对现有研究的综合阐述，本文针对碳纳米管材料在热管理中的研究方向以及发展趋势提出了几点看法：通过提高碳纳米管的质量并在增加其在复合材料中体积分数的同时维持碳纳米管较高的取向性，有望进一步提高碳纳米管复合材料尤其是热界面材料的热导率；仍需大量实验研究来进一步降低碳纳米管材料与基底间的接触热阻，完善碳纳米管与不同材料（金属、有机材料）间的接触热阻的理论解释及计算；碳纳米管材料的被动散热能力仍需进一步提高并且存在一定挑战，例如如何设计碳纳米管基吸液芯的结构以同时提供高毛细力和渗透率，如何实现碳纳米管基材料自然对流、热辐射以及相变散热的最佳结合等。本文希望通过对现有研究的概述与分析，进一步推动碳纳米管材料在热管理方面的研究与应用。

图文导读

图1. 碳纳米管材料在热管理方面的应用

图2.碳纳米管阵列的高发射率及其辐射散热应用

图3.碳纳米管材料的自然对流特性

图4.碳纳米管材料在相变散热中的应用

课题组简介

清华-富士康纳米科技研究中心坐落于清华大学校园内。中心大楼于2003年建成，建筑面积13000m2，拥有高等级的超净实验室、先进的微纳米制备和测试设备以及多个高水平的研究团队和宽松融洽的学术氛围。中心在范守善院士领导下，开展具备重要科学技术意义和产业应用前景的纳米科技研究，已取得多项拥有自主产权的科研成果。其中热传导研究组长期致力于纳米材料热传导基础与应用研究，目前已在Advanced Materials，Nano Letters, ACS Nano, Nano Energy等杂志发表论文100多篇，获得专利授权20多项。

文章信息

Wei Yu, Changhong Liu & Shoushan Fan^*. Advances of CNT-based systems in thermal management. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-020-3255-1.