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邹小姐：13326633089 -
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高导热(re)材(cai)料在现代科技中(zhong)(zhong)的(de)(de)应用已(yi)是(shi)(shi)一项绕不开的(de)(de)课题，在众多(duo)材(cai)料中(zhong)(zhong)，具备(bei)高导热(re)性能的(de)(de)材(cai)料通常有陶瓷(ci)、金属(shu)、复(fu)合材(cai)料。半(ban)导体(ti)器件散(san)热(re)的(de)(de)一个关键点就是(shi)(shi)在其平面方向，需要散(san)热(re)材(cai)料有与之匹配的(de)(de)热膨胀系(xi)数（CTE），其中，陶瓷材料的CTE系数过低，并且较脆；金属材料虽然导热率较高，但是CTE系数过高；复合材料最大的特点在于其功能和性能的可设计性，合理(li)选(xuan)择复(fu)(fu)合材料各组(zu)元成分、含量(liang)或(huo)改(gai)变复(fu)(fu)合材料的热处理(li)状(zhuang)态，可以实(shi)现复(fu)(fu)合材料性(xing)能调整(zheng)。
导热(re)复合材(cai)料(liao)通常是(shi)将不同(tong)组分的(de)高(gao)导热(re)材(cai)料(liao)结合，发(fa)挥各自(zi)的(de)性(xing)能优(you)势(shi)，以达成(cheng)具有(you)可设计性(xing)的(de)优(you)良性(xing)能效果，而碳(tan)材(cai)料(liao)作(zuo)为一种具有(you)资源优(you)势(shi)且性(xing)能潜力巨大(da)的(de)材(cai)料(liao)，其本征导热(re)率较高(gao)，是(shi)理想的(de)增(zeng)强体候(hou)选材(cai)料(liao)，特(te)别(bie)是(shi)以纯sp2和sp3杂化成键的碳材料（如石墨烯和金刚石）的热导率最高。为了满足技术发展的各类需求，碳材料被设计研究出多种形态，如石墨(mo)(mo)（石墨(mo)(mo)颗粒(li)、石墨(mo)(mo)泡(pao)沫、热解(jie)石墨(mo)(mo)和晶质鳞片石墨(mo)(mo)等(deng)），碳纳米管(guan)、碳纤维和金刚石等(deng)。
下(xia)面小(xiao)编就带(dai)大家(jia)了解一(yi)下(xia)碳材料在导热领(ling)域被设计成的变(bian)化多端的不同(tong)形态，以及其在不同(tong)应(ying)用(yong)中(zhong)发(fa)挥出的独特效用(yong)。
一、高(gao)导热碳(tan)增强(qiang)相
1. 高定(ding)向(xiang)石墨
石(shi)(shi)墨(mo)(mo)由于(yu)其(qi)独特的层叠结构，导致在不同(tong)取(qu)向上会呈现不同(tong)的性能，这种特殊性质被科(ke)学家充分利用，能够设计出(chu)在特定方向上性能突出(chu)的特殊产品。高取(qu)向性石(shi)(shi)墨(mo)(mo)主要有天然(ran)鳞片(pian)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)、高定向热解石(shi)(shi)墨(mo)(mo)、高结晶度石(shi)(shi)墨(mo)(mo)膜/块和柔(rou)性石(shi)(shi)墨(mo)(mo)片(pian)等。
（1）天然鳞片石墨
天然(ran)鳞片石墨具有较高的纯度(du)、完美的晶(jing)体(ti)取向、高结晶(jing)度(du)、较大的微晶(jing)尺寸等特点，使得(de)其成为制(zhi)备高导热材料的重要原料。
天然(ran)石(shi)墨与人(ren)造(zao)石(shi)墨晶体结构对(dui)比
目前采用天然鳞(lin)片石(shi)墨制备的(de)复合石(shi)墨材(cai)料(liao)，在平(ping)面上(shang)(shang)的(de)热导率可达到(dao)600W/（m·K）以上(shang)(shang)，天然鳞(lin)片石(shi)墨由于其高(gao)导热的(de)性能以及低廉的(de)成本(ben)，其作为增强体候选材(cai)料(liao)越来越受到(dao)研究人员的(de)广泛青睐(lai)。
（2）高定向热解石墨
高定向热解石墨(mo)（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）是热解炭或热解石墨在高温高压（3400～3600℃，10MPa）下处理得到的(de)(de)，形(xing)成沿石墨片(pian)层方向高度(du)取(qu)向的(de)(de)多晶石墨。
高定向热解石(shi)墨板
高定向(xiang)热(re)解(jie)石墨沿基面(mian)方向(xiang)热(re)导率可(ke)达1600～2200W/（m·K），非常接近单晶(jing)石墨的性能。然(ran)而受制备工艺限制，成本较(jiao)高，目前无法得(de)到大规(gui)模应用。
（3）高结晶度石墨膜/块
高结(jie)晶度石墨膜是将高(gao)度定(ding)向(xiang)的有(you)机高(gao)分(fen)子薄膜（如聚酰亚胺PI、聚苯撑亚乙烯基PPV和聚恶二唑POD）在惰性气体条件下高温石墨化（2800～3200℃）， 得到的产物具有与高定向热解石墨类似的高度择优取向和高石(shi)墨化度。这种高结晶(jing)度和完美的取向排列使其(qi)沿薄膜表面方(fang)向具备(bei)极高的导热系(xi)数(shu)。
目(mu)前在电子散(san)热(re)(re)领(ling)域炒得十(shi)分火热(re)(re)的高导(dao)热(re)(re)石墨(mo)膜(mo)(mo)(mo)通常就是(shi)用此种(zhong)方法制(zhi)(zhi)备(bei)，这种(zhong)石墨(mo)膜(mo)(mo)(mo)最早于1987年由日(ri)本(ben)科学(xue)家采用PI膜(mo)(mo)(mo)制(zhi)(zhi)备(bei)，其热(re)(re)导(dao)率(lv)(lv)可达1800 W/（m·K），也可进一步制(zhi)(zhi)成较厚的高导(dao)热(re)(re)定向石墨(mo)块(kuai)，热(re)(re)导(dao)率(lv)(lv)可高达400～800W/（m·K）。
导热石墨膜(mo)
通常石墨膜(mo)的(de)热导率与其密度、厚度和石(shi)墨(mo)化度有关，密(mi)度(du)越(yue)(yue)(yue)高(gao)、膜(mo)越(yue)(yue)(yue)薄，石墨化度(du)高(gao)，热导率越(yue)(yue)(yue)高(gao)；密(mi)度(du)越(yue)(yue)(yue)低、膜(mo)越(yue)(yue)(yue)厚、石墨化度(du)低，热导率越(yue)(yue)(yue)低。国(guo)内目前生产的石墨膜(mo)取向相对略低，日本松下(xia)生产的石墨膜(mo)的热导率可高(gao)达 1900W/（m·K）以上，目前已(yi)经大规模产业化，不过石(shi)墨(mo)膜由于(yu)强(qiang)度较(jiao)低，受到力学(xue)性(xing)能的限制，其(qi)应用(yong)限制在手机屏幕(mu)等(deng)电子(zi)设备的散热(re)领域。
（4）柔性石墨片
柔性石(shi)墨片是(shi)以鳞片石(shi)墨为原料(liao)，经过膨化制(zhi)备出蠕虫(chong)状膨胀石墨，再将(jiang)膨胀石(shi)墨压延(yan)、压制得到高导(dao)热(re)柔性石(shi)墨薄片，其室温(wen)热(re)导(dao)率为200～630W/（m·K）。国内(nei)山西(xi)煤(mei)化所在这方(fang)面(mian)研究较深(shen)，采取压(ya)延法制(zhi)备(bei)的(de)高(gao)导(dao)热(re)柔性石墨薄板热(re)导(dao)率可达630W/（m·K）。
柔性石墨片(pian)制备工艺(yi)简单、成(cheng)本低，适合批量(liang)生产，可用于LED、柔性屏等电子器件的散热片，以(yi)及其它对材料(liao)强度要求较低的(de)散热领(ling)域。
用于(yu)柔性电子器件
2. 纳米碳材(cai)料
高导热(re)方面应(ying)用的纳米(mi)碳材料主要包括(kuo)石(shi)墨烯和碳纳米(mi)管两类。
（1）石墨烯
石墨烯是(shi)单层的(de)碳原(yuan)子形(xing)成致密的(de)二维蜂窝状晶格结构(gou)(gou)，是(shi)其他维度(du)石墨材料的(de)基本组(zu)成，如(ru)零维时可以卷曲成球(qiu)状结构(gou)(gou)，成为(wei)巴基球(qiu)（C60，富勒烯）；一维时卷曲成为管状结构，为碳纳米管；三维时堆叠成为石墨。理论上石墨烯的热导率可达5000W/（m·K）以上，其在热管理材料中占有非常重要的位置，如作(zuo)为增强(qiang)体可以大幅度提高(gao)聚合物(wu)基复合材料的热导率(lv)。
目(mu)前工(gong)业(ye)产量最大的为机(ji)械剥离法，这(zhei)种方(fang)法易(yi)于批(pi)量(liang)生(sheng)产，但得(de)到(dao)并非严(yan)格意(yi)义上(shang)的石(shi)(shi)墨(mo)烯，而主要为石(shi)(shi)墨(mo)纳米片，这(zhei)种工艺路线会使石(shi)(shi)墨(mo)纳米片部(bu)分晶体结(jie)构受到(dao)破坏，一(yi)定程度上(shang)影响导热(re)性能。还有一(yi)种较(jiao)为普遍的石(shi)(shi)墨(mo)烯生(sheng)产方(fang)法是氧化石墨烯还原法，首(shou)先(xian)需要得到批(pi)量(liang)的氧化石(shi)墨(mo)烯，但这种还原(yuan)方(fang)式并不完全，石(shi)墨(mo)烯表面非(fei)常容(rong)易残(can)余大量(liang)的官能(neng)团。
氧(yang)化石墨烯还原法
基于石(shi)墨烯二维(wei)晶格构成的特定结(jie)构，相邻(lin)碳原子(zi)之间劲(jing)度系数较(jiao)高(gao)，使得石(shi)墨烯具备极高的强(qiang)度、弹(dan)性(xing)模(mo)量(liang)及热(re)导率，因(yin)此是良好的增(zeng)强(qiang)体(ti)候选材料，目(mu)前主(zhu)要用于(yu)树(shu)脂基复合材料的导热增(zeng)强(qiang)。
（2）碳纳米管
碳纳米管是由石(shi)墨烯卷曲(qu)构(gou)成(cheng)的中空管状结构(gou)，沿着(zhe)管壁方(fang)向，呈现出类似石(shi)墨烯(xi)的高导热性能(neng)，碳(tan)纳米管的室(shi)温(wen)热导(dao)率测量值可达3000W/（m· K），目(mu)前(qian)同样较(jiao)多用作树脂(zhi)基复(fu)合材料(liao)的(de)导(dao)热增强体。
碳纳米管
3. 碳(tan)纤维
高导(dao)热碳纤维(wei)主要是指沥青(qing)基碳纤维(wei)，其(qi)制备(bei)原料是中间(jian)相沥青(qing)。在制(zhi)备(bei)过程中，沥青呈现液晶状态，固有的分子(zi)定向(xiang)(xiang)排布(bu)被保留下(xia)来(lai)，沿纤维(wei)轴向(xiang)(xiang)石墨(mo)微晶发育(yu)完整(zheng)，微晶尺寸较大并沿轴向(xiang)(xiang)高度(du)择优取向(xiang)(xiang)，因此沿轴向(xiang)(xiang)具有较高的热导率(lv)。
国(guo)外(wai)成熟的高导(dao)(dao)热(re)碳纤(xian)维(wei)产(chan)品，其(qi)室(shi)温热(re)导(dao)(dao)率(lv)沿(yan)轴向(xiang)可高达(da)1000W/（m·K）以上，目前我国(guo)也(ye)有(you)一些(xie)企(qi)业和高校在进行高导(dao)(dao)热(re)碳纤(xian)维(wei)的产(chan)业化，同(tong)样是用于(yu)电子(zi)散(san)热(re)领域，具有(you)高效定向(xiang)散(san)热(re)效果，同(tong)时也(ye)可用于(yu)电磁屏蔽。碳纤(xian)维(wei)具有(you)远高于(yu)金(jin)属Al或Cu基体(ti)的导(dao)(dao)热(re)率(lv)，然而其(qi)轴向(xiang)与径(jing)向(xiang)导(dao)(dao)热(re)性能存在显著差异，因而控(kong)制复合(he)构型中(zhong)纤(xian)维(wei)的空间分布是改(gai)善复合(he)材料导(dao)(dao)热(re)性能的关键。
碳纤维用于手机(ji)高(gao)效散(san)热
拓展阅读：
4. 泡沫碳(tan)
高导热(re)泡沫碳通过中间相(xiang)沥青加工而成，具(ju)有一定程度的(de)各向异性，不同方向的(de)热(re)导率分布为40～180W/（m·K），这(zhei)种泡(pao)沫(mo)结构的高导(dao)热来源于(yu)其高度石墨化的骨架结构，沿(yan)骨架壁结构的(de)热导(dao)率可(ke)高达(da)1800 W/（m·K以上，其特定泡沫结构可用于相变(bian)导热材料的高导热骨架(jia)。
泡沫碳
拓展阅读：
5. 金(jin)刚(gang)石和(he)类金(jin)刚(gang)石薄膜
金刚(gang)石的热导率极高(gao)，最高(gao)可达2000W/（m·K）以上，并且具有极高的硬度以及良好的绝缘性能，是非常理想的电子元器件散热材料。但自然界中钻石的存量无法满足大量的工业需要，人工合成的金刚石成本居高不下，使其无法在导热方面得到大规模应用。因而科学家们通过气相沉积技术，发展了类金刚石薄膜(Diamond-like Carbon，简称DLC)，这是一种亚稳(wen)态(tai)的非晶态(tai)材料(liao)，其机(ji)械、电(dian)学(xue)(xue)(xue)、光学(xue)(xue)(xue)和摩擦学(xue)(xue)(xue)特性(xing)类似于(yu)金刚石(shi)，导热性(xing)是铜的2-3倍，这种薄膜具有成本相对较低、可大面积制备的特点，但仍然远远超过工业上大规模应用可接受的成本。
类金(jin)刚石目前多用(yong)于工业涂层(ceng)
二、高导热碳/金属复合材料
碳材(cai)料是金属基复(fu)合材(cai)料的(de)常用增强相，目前这(zhei)方面(mian)的(de)研究以铝、铜、镁与各类碳材(cai)料的(de)复(fu)合较多，是一类具有竞(jing)争优势的(de)新(xin)型热管(guan)理材(cai)料。
拓展阅读(du)：
导(dao)热(re)前沿：
1. 碳纤(xian)维/金属复(fu)合(he)材料
碳(tan)纤(xian)(xian)维(wei)/金(jin)(jin)属复(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)导热(re)(re)性能影(ying)响(xiang)因素主要为纤(xian)(xian)维(wei)种类(lei)、体(ti)积分数(shu)、金(jin)(jin)属基(ji)体(ti)、排布取向以(yi)及复(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)界(jie)面。国(guo)外已有公司(si)采(cai)取短切碳(tan)纤(xian)(xian)维(wei)增(zeng)强制备的(de)(de)(de)铝基(ji)复(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)，热(re)(re)导率可达200W/（m·K）以(yi)上，并且其热(re)(re)膨(peng)(peng)胀系数(shu)与(yu)半导体(ti)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)热(re)(re)膨(peng)(peng)胀系数(shu)相匹配(pei)。
考(kao)虑到(dao)长碳纤维(wei)和短碳纤维(wei)增强铝复合材料的(de)取(qu)向(xiang)特点(dian)，按照维(wei)度不同(tong)，其面(mian)向(xiang)应(ying)用领域也略有差异(yi)，长碳(tan)纤维铝复合材料主要应(ying)用(yong)在(zai)需(xu)要一维定向(xiang)热(re)输运的(de)领域，短(duan)碳(tan)纤维增强(qiang)铝还被(bei)用(yong)于高(gao)端线路板散热(re)领域，均(jun)有轻质(zhi)、面内快(kuai)速(su)均(jun)温和高导热、低(di)膨胀的(de)特性，同时(shi)强度较高，能够满足军(jun)事工业的(de)高可靠(kao)性要求。
2. 金(jin)刚(gang)石/金(jin)属复合(he)材料
金(jin)刚石(shi)/铝和金刚石/铜是第四代电子封装用金属基复合材料，其出现的主 要原因是Si/Al和SiC/Al无法跟上高密度高功率电子器件更新换代的封装散热需求，可用于IGBT底座、电(dian)子器(qi)件散热板等(deng)方面(mian)。
最近的研究表明，金刚石/铜复合(he)材(cai)料的热导率(lv)可达(da)930W/（m·K）。
3. 鳞片石墨(mo)/金属复(fu)合材(cai)料
德国弗劳恩(en)霍夫研究所通(tong)过粉末冶金SPS放电等(deng)离子(zi)烧结(jie)技(ji)(ji)术，制(zhi)备出(chu)了以钨、铁、铝和(he)铜(tong)为基(ji)体(ti)的鳞片石墨增强金属(shu)复(fu)合材(cai)料，呈现(xian)出(chu)较高(gao)的热(re)物理性能，最高(gao)热(re)导率(lv)可达550W/（m·K）。但是目前的制(zhi)备技(ji)(ji)术通(tong)常会(hui)出(chu)现(xian)鳞片石墨弯曲、无法完成液态金属(shu)浸渗等(deng)问题，影(ying)响平(ping)面热(re)导率(lv)和(he)抗(kang)热(re)震性，进(jin)而影(ying)响热(re)膨胀系数，使其在(zai)电子(zi)封装(zhuang)领域的应用受到限(xian)制(zhi)。
目前，针对鳞片石墨/金属复合材料(liao)的(de)研究重点关注在(zai)如何兼顾材料(liao)力(li)学性能(neng)与导热性能(neng)。
总结
碳(tan)(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)在导(dao)热(re)(re)领域(yu)的(de)(de)(de)潜力(li)巨大，尤(you)其(qi)适用(yong)于(yu)(yu)(yu)对(dui)小空间大热(re)(re)流(liu)(liu)密度元件(jian)进(jin)行(xing)散热(re)(re)，能(neng)够满足下一(yi)(yi)代(dai)电子元器件(jian)集(ji)功(gong)能(neng)化、微型化和轻薄化于(yu)(yu)(yu)一(yi)(yi)体的(de)(de)(de)发展要(yao)(yao)求，对(dui)现(xian)代(dai)工(gong)业(ye)、国(guo)防和高(gao)技术发展具有(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)战略意(yi)义。国(guo)内对(dui)于(yu)(yu)(yu)高(gao)导(dao)热(re)(re)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究已(yi)有(you)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)理(li)论(lun)积累，目前(qian)的(de)(de)(de)产(chan)业(ye)化程(cheng)度仍旧处于(yu)(yu)(yu)较初期的(de)(de)(de)阶(jie)段(duan)，人工(gong)石墨膜目前(qian)已(yi)有(you)较为(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)产(chan)品面市，是(shi)(shi)未来电子产(chan)品散热(re)(re)的(de)(de)(de)主流(liu)(liu)方向(xiang)，但(dan)国(guo)产(chan)石墨膜的(de)(de)(de)应用(yong)占(zhan)比还需(xu)加强。其(qi)它高(gao)导(dao)热(re)(re)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)大多仍处于(yu)(yu)(yu)研发阶(jie)段(duan)，尤(you)其(qi)是(shi)(shi)碳(tan)(tan)/金属复合材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，其(qi)技术门槛(jian)较高(gao)，市场(chang)还未见成(cheng)(cheng)(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)产(chan)品应用(yong)，大多也是(shi)(shi)受限(xian)于(yu)(yu)(yu)制备(bei)成(cheng)(cheng)(cheng)本，提高(gao)产(chan)品性能(neng)、简化制备(bei)工(gong)艺(yi)、降低(di)生产(chan)成(cheng)(cheng)(cheng)本将是(shi)(shi)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)全(quan)行(xing)业(ye)需(xu)要(yao)(yao)致(zhi)力(li)追求的(de)(de)(de)发展方向(xiang)。
参考来源：
1. 高导热炭/铝复合材料(liao)的研(yan)究(jiu)进展，李文君(jun)、吴 琪、苗(miao)建印（北京空间飞(fei)行器总体(ti)设计部）；
2. 高(gao)导热碳材料研(yan)究进展，刘华斌（凯(kai)尔凯(kai)德科技（上(shang)海）有(you)限公司）。
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