富士通实验室开发全世界最高散热性能的纯碳纳米管片

富士通实验室有限公司今天宣布，一种高导热碳纳米管片材与世界顶级的散热性能研制成功。该片材由纯碳纳米管组成，垂直取向，产生优异的导热性和耐热性。

随着电动汽车的迅速普及，人们对车载电源模块的需求越来越高，以满足高压电源的低功耗要求和高击穿电压的要求，同时也需要保持可靠性，尽管紧凑型模块带来了高温操作。碳化硅（SiC），具有低功耗和高击穿电压，作为硅的替代品，但为了可靠地运行在200degC或更高的温度，热量需要有效地去除SiC器件。

富士通实验室现在已经开发出一种制造碳纳米管的工艺，碳纳米管是一种以圆筒状结构的高导热率著称的材料，在这个过程中精确地控制工艺温度和压力的组合，以生长致密、均匀的垂直取向碳纳米管阵列。为了用于SiC功率模块散热，富士通实验室还开发了一片技术，定向生长碳纳米管进行2000degc以上温度热处理成型，创建表，方便运输。使用这些技术制成的散热片大约有三倍于使用铟制成的材料的散热性能，并且被发现在碳纳米管片中具有世界上最好的散热性能。

富士通实验室计划将这项技术用于2020财年的汽车散热材料，并正在考虑将业务扩展到新的领域，例如在下一代高性能计算和电信设备中的应用。

背景

随着世界范围内的环保法规的限制，二氧化碳和二氧化碳的排放量将越来越普遍。这些车辆用来控制其电力的功率模块已经用硅器件制造，但已经在寻找替代材料，以提供更好的电效率，以达到与汽油动力汽车同等的行驶范围。出于这个原因，发展一直在推动碳化硅，这是可用的高压和高温环境，并使用较少的权力，作为一种材料，这将是硅的替代品。同时，在外围组件还包括散热材料的需求也在高导热性和耐温性，可以有效地从SiC元件的可靠运行在高温度条件对200degc切热。

碳纳米管是一种纳米技术材料，其中碳原子形成一个直径为几纳米的圆柱体。它们的热导率比铜高10倍，电流密度耐受度是5000倍，而且应用的发展也受到了人们的关注。在下一代散热候选材料上为汽车配备纳米管显示出了希望。

问题

碳纳米管具有很高的热导率，这似乎使它们成为一种散热材料。然而，充分利用其固有特性仍然存在问题，只有简单的应用是可能的，如将它们与现有材料相结合。

1。圆柱形碳纳米管是在一种叫做化学气相沉积的制造过程中在衬底上形成的，在这种过程中，碳以气体形式提供，并在直径为几纳米的金属颗粒周围的纳米管中生长，作为种子。这里，催化剂颗粒尺寸的变化，所提供的气体的密度，以及衬底或衬底之间的温度变化导致多层管长度和密度的不均匀性，特别是当在大面积上形成时，例如大的衬底。这需要经常注意在生产过程中保持一致的合成条件。

2。由于在基底上形成的碳纳米管不稳定，在与基体分离时不保持其形状，通常使用片状形成方法，它们与诸如树脂或橡胶之类的固定剂混合。但是，导热系数低的定影剂降低了纸张的耐温性和导电性。因此，在不使用固定剂的情况下增加纸张的强度是必要的。

关于新开发的技术

两种技术导致了与传统材料相比，具有高导热率的碳纳米管片的发展，即使在包括接触电阻的情况下，其速度也达到每米开尔文80瓦特（瓦特／MK），新开发的技术如下。

1。多壁碳纳米管生长控制

为了使散热方向与碳纳米管的方向，富士通实验室开发了一种碳纳米管的制造过程中，温度和纳米管的合成压力相对于金属颗粒催化剂的精确控制，以及原料气入口的位置进行了调整，相对于基板，密集的碳纳米管阵列的垂直增长。

2。多壁碳纳米管片的形成

富士通实验室开发出一种技术，从而形成了碳纳米管2000degc以上温度热处理，保持高的热导管阵列的方向而形成了一片。这使得在不使用固定剂如树脂或橡胶的情况下，能够制造具有高导热性和耐热性的纯碳纳米管片。

结果

在实际测量中发现这种技术产生的碳纳米管散热片，考虑到接触电阻，其热导率约为铟片的三倍，这是一种已知的具有高导热率的材料。（图3）此外，铟片具有熔点约160degc，但这种散热片被发现有高热量超过700degC公差。这些特性使先进的电动和混合动力汽车的动力模块得到有效的冷却。

未来的计划

富士通实验室将进一步改善碳纳米管散热片的导热性，并寻求商业化的发展，以期从2020财年为汽车提供片状产品。该公司还将考虑将业务扩展到新领域，例如在下一代高性能计算和电信设备中的应用。

关于富士通实验室

富士通实验室有限公司成立于1968，是富士通有限公司的全资子公司，是世界上最重要的研究中心之一。随着全球对中国在日本的实验室网络，美国和欧洲的机构进行广泛的基础研究和应用研究领域的下一代服务，计算机服务器、网络、电子设备和先进的材料。

关于富士通公司

富士通是日本领先的信息和通信技术公司，提供全方位的技术产品、解决方案和服务。大约155000富士通用户支持超过100个国家的客户。我们利用我们的经验和信息和通信技术的力量，用我们的客户来塑造社会的未来。富士通有限公司（TSE：6702）公布截至2017年3月31日的财政年度合并收入4兆5000亿日元（400亿美元）。