在一项新研究中，日本科学家利用液相三维图案化技术设计了由纤维素纳米纤维基质和碳纤维填料制成的柔性热扩散膜。制备的薄膜在平面方向上表现出较大的热导率各向异性，从而促进了散热，并避免了热源对薄膜电子设备的热干扰。

过去几十年来，电子技术取得了巨大进步，开发出了更薄、更轻、更灵活、更坚固的设备。然而，随着设备越来越薄，容纳内部工作部件的空间也越来越小。这导致了薄膜设备散热不良的问题，因为传统的散热器材料体积庞大，无法集成到设备中。因此，需要一种薄而柔韧的热扩散材料，可以在薄膜设备中实现高效散热。

目前，有几种基底材料可以作为薄膜散热，但大多数都是在平面内各向同性地散热。这反过来可能会与设备的相邻组件产生热干扰。

“对于高密度安装多个设备的基板，需要控制热扩散的方向并找到有效的散热路径，同时在设备之间进行热绝缘。因此，开发平面内热导率各向异性高的基板膜是一个重要目标，”日本东京理科大学 (TUS) 的初级副教授 Kojiro Uetani 解释说，他研究先进的热导率材料，曾隶属于大阪大学 SANKEN（科学和工业研究机构）。

在最近发表在《ACS 应用材料与界面》杂志上的一项研究中，Uetani 博士和他的团队（包括日本国立大分工业大学的助理教授 Shota Tsuneya 和东京工业大学的 Toshifumi Satoh 教授）报告了一种新开发的由纤维素纳米纤维和碳纤维填料制成的纳米复合薄膜，该薄膜表现出优异的平面各向异性热导率。

为了提高导热性，人们提出了许多含有导热填料的聚合物复合材料。然而，关于具有颗粒或板状填料的材料表现出导热各向异性的报道很少，这对于防止相邻设备之间的热干扰非常重要。另一方面，碳纤维 (CF) 等纤维填料由于其结构各向异性，可以在二维材料中提供面内各向异性。

选择热导率高的基质也很重要。据报道，从海鞘外套膜中提取的纤维素纳米纤维（CNF）比传统聚合物具有更高的热导率（约2.5 W / mK），使其适合用作散热材料。从可以用铅笔在纸上书写的能力可以看出，纤维素对碳材料具有很高的亲和力，并且易于与CF填料结合。例如，疏水性CF本身无法分散在水中，但在CNF存在下，它很容易分散在水中。因此，该团队选择了生物基海鞘 - 海鞘衍生的CNF作为基质。

对于材料合成，该团队制备了 CF 和 CNF 的水悬浮液，然后使用了一种称为液体 3D 图案化的技术。该过程产生了一种由纤维素基质和单轴排列的碳纤维组成的纳米复合材料。为了测试薄膜的热导率，该团队使用了激光点周期加热辐射测温法。

他们发现，该材料表现出 433% 的高平面热导率各向异性，在对齐方向上的导热率为 7.8 W/mK，在平面正交方向上的导热率为 1.8 W/mK。他们还在 CF/CNF 薄膜上安装了粉末电致发光 (EL) 装置，以证明其有效的散热效果。此外，纳米复合薄膜可以冷却两个紧密放置的伪热源，而不会产生任何热干扰。

除了出色的热性能外，CF/CNF 薄膜的另一大优势是可回收性。研究人员能够通过燃烧纤维素基质来提取 CF，从而实现重复使用。总体而言，这些发现不仅可以作为设计具有新颖散热模式的 2D 薄膜的框架，还可以促进该过程的可持续性。“我们人类产生的废物对环境有巨大的影响。特别是传热填料，通常是专业且昂贵的材料。因此，我们希望创造一种使用后不会浪费，可以回收并再用于其他应用的材料，”Uetani 博士总结道。