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邹小(xiao)姐：13326633089 -
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高导(dao)(dao)热材料(liao)(liao)在现代(dai)科技中的应用已是一项绕不开的课题，在众多材料(liao)(liao)中，具备(bei)高导(dao)(dao)热性能的材料(liao)(liao)通常有陶瓷、金属、复(fu)合(he)材料(liao)(liao)。半导(dao)(dao)体器(qi)件散热的一个关键点就是在其平(ping)面方向(xiang)，需要(yao)散热材料(liao)(liao)有与之匹配的热膨胀系(xi)数（CTE），其(qi)中，陶瓷(ci)材料(liao)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(gong)能和性能的(de)可设(she)计性，合(he)理选择复合(he)材料各组元成分、含(han)量或改变复合(he)材料的热处理状态(tai)，可以实现复合(he)材料性能调整。
导热(re)复合(he)材(cai)(cai)料(liao)通常是(shi)将不同组分的(de)(de)高导热(re)材(cai)(cai)料(liao)结合(he)，发挥各自的(de)(de)性能(neng)优势，以达成具有可设计性的(de)(de)优良(liang)性能(neng)效果，而碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)作为一种具有资源优势且(qie)性能(neng)潜力巨(ju)大(da)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)，其本征导热(re)率较(jiao)高，是(shi)理想(xiang)的(de)(de)增(zeng)强体(ti)候选材(cai)(cai)料(liao)，特别是(shi)以纯(chun)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(shi)墨(mo)（石(shi)墨(mo)颗粒、石(shi)墨(mo)泡沫、热解(jie)石(shi)墨(mo)和晶质(zhi)鳞(lin)片石(shi)墨(mo)等），碳纳米管、碳纤维(wei)和金刚石(shi)等。
下面小(xiao)编(bian)就带(dai)大家了解(jie)一下碳(tan)材料在(zai)导热领域被设计(ji)成的变化(hua)多端的不(bu)同形(xing)态，以及其(qi)在(zai)不(bu)同应(ying)用中(zhong)发挥出的独特(te)效用。
一、高导热(re)碳增(zeng)强相
1. 高定向石墨(mo)
石(shi)(shi)墨(mo)由于(yu)其独(du)特的(de)层叠结构，导致在不同取向(xiang)上(shang)会(hui)呈现不同的(de)性(xing)(xing)能(neng)，这(zhei)种特殊(shu)性(xing)(xing)质被科学家充分利用，能(neng)够设(she)计(ji)出(chu)在特定(ding)方向(xiang)上(shang)性(xing)(xing)能(neng)突(tu)出(chu)的(de)特殊(shu)产品。高(gao)取向(xiang)性(xing)(xing)石(shi)(shi)墨(mo)主要有(you)天然鳞片石(shi)(shi)墨(mo)、高(gao)定(ding)向(xiang)热(re)解石(shi)(shi)墨(mo)、高(gao)结晶度(du)石(shi)(shi)墨(mo)膜/块(kuai)和柔性(xing)(xing)石(shi)(shi)墨(mo)片等(deng)。
（1）天然鳞片石墨
天(tian)然(ran)鳞片石墨具(ju)有较高的(de)纯度、完美(mei)的(de)晶体取向、高结晶度、较大的(de)微晶尺寸等特点，使得其成(cheng)为制备高导热材料(liao)的(de)重要原(yuan)料(liao)。
天然石(shi)墨(mo)与人(ren)造石(shi)墨(mo)晶体结构对比
目前(qian)采用天(tian)(tian)然(ran)鳞(lin)片石(shi)墨(mo)制备的复(fu)合石(shi)墨(mo)材料，在(zai)平面上的热(re)导(dao)率可达到(dao)600W/（m·K）以上，天(tian)(tian)然(ran)鳞(lin)片石(shi)墨(mo)由于其(qi)高导(dao)热(re)的性能以及低廉的成本，其(qi)作为(wei)增强体候(hou)选材料越来越受到(dao)研(yan)究人员的广泛青睐。
（2）高定向热解石墨
高定向热解石墨（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)，形成(cheng)沿石墨片层方向(xiang)高度取向(xiang)的(de)多晶石(shi)墨。
高定向热解石(shi)墨板
高定向热(re)解石(shi)(shi)墨沿基面方向热(re)导率可(ke)达(da)1600～2200W/（m·K），非常接近单晶石(shi)(shi)墨的(de)性能。然(ran)而受(shou)制备工艺限制，成本较高，目前无法(fa)得到大规模应用。
（3）高结晶度石墨膜/块
高结(jie)晶(jing)度石(shi)墨膜是将高(gao)度定向的有机高(gao)分子薄膜（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(gao)度择优取向和高(gao)石墨化(hua)度。这种高结(jie)晶度(du)和完美的取(qu)向(xiang)排列(lie)使(shi)其沿(yan)薄膜表面方(fang)向(xiang)具(ju)备极高的导(dao)热系数。
目前在电子(zi)散热(re)领域炒得十分火热(re)的高导热(re)石墨膜(mo)通常就(jiu)是用此(ci)种(zhong)方(fang)法(fa)制(zhi)备(bei)，这种(zhong)石墨膜(mo)最早于1987年由日本科学(xue)家采用PI膜(mo)制(zhi)备(bei)，其热(re)导率(lv)可达1800 W/（m·K），也可进一步制(zhi)成较厚的高导热(re)定(ding)向石墨块，热(re)导率(lv)可高达400～800W/（m·K）。
导热(re)石墨膜
通常石墨膜的热导率与其密度、厚度和石墨化度有关，密度(du)越高(gao)、膜越薄(bo)，石(shi)(shi)墨(mo)化度(du)高(gao)，热导(dao)(dao)率(lv)越高(gao)；密度(du)越低(di)、膜越厚、石(shi)(shi)墨(mo)化度(du)低(di)，热导(dao)(dao)率(lv)越低(di)。国内目前生(sheng)产的石(shi)(shi)墨(mo)膜取向相对略低(di)，日本松下(xia)生(sheng)产的石(shi)(shi)墨(mo)膜的热导(dao)(dao)率(lv)可高(gao)达 1900W/（m·K）以上，目前已经大(da)规模产业化，不过石墨(mo)膜由于强度较低，受到力学性(xing)能的限(xian)制，其(qi)应用限(xian)制在手(shou)机(ji)屏(ping)幕等电子设备的散热领域。
（4）柔性石墨片
柔(rou)性石墨(mo)片是以鳞(lin)片石墨(mo)为原料，经过(guo)膨化制备出蠕虫状膨胀(zhang)石墨，再将(jiang)膨(peng)胀石(shi)(shi)墨压(ya)延、压(ya)制(zhi)得(de)到高导热柔性石(shi)(shi)墨薄片，其室温热导率为200～630W/（m·K）。国内(nei)山西煤化(hua)所在这方面研究较(jiao)深，采取压延法制备的高导热(re)(re)柔性石墨薄(bo)板热(re)(re)导率(lv)可达630W/（m·K）。
柔性石墨片制备工艺简单、成本低，适合批量生(sheng)产，可用于LED、柔性屏等电(dian)子(zi)器件的散(san)热片，以及其它对(dui)材(cai)料强度要求较低(di)的散热领域。
用于柔性电(dian)子器件
2. 纳(na)米碳材料(liao)
高导热(re)方面(mian)应用的纳米(mi)碳(tan)材(cai)料主要包括石墨烯和碳(tan)纳米(mi)管两类。
（1）石墨烯
石墨(mo)烯是(shi)单层的(de)碳(tan)原子(zi)形成致密的(de)二(er)维(wei)(wei)蜂窝(wo)状晶格结(jie)(jie)构(gou)，是(shi)其他(ta)维(wei)(wei)度(du)石墨(mo)材料(liao)的(de)基(ji)本(ben)组成，如零维(wei)(wei)时可以(yi)卷曲(qu)成球(qiu)(qiu)状结(jie)(jie)构(gou)，成为巴基(ji)球(qiu)(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，如作为增强(qiang)体可以大幅度提高聚合物基复合材料的热(re)导率(lv)。
目前工业产量最大的为机(ji)械剥(bo)离法，这种方法(fa)易于批量生产，但得到并非严格意义上的石(shi)墨(mo)烯，而主(zhu)要为石(shi)墨(mo)纳米片，这种工艺路线(xian)会(hui)使石(shi)墨(mo)纳米片部分(fen)晶(jing)体(ti)结构(gou)受到破坏，一定程度(du)上影响导热性能。还(hai)有一种较(jiao)为普(pu)遍的石(shi)墨(mo)烯生产方法(fa)是氧化石墨烯(xi)还原法，首先需要得到(dao)批(pi)量(liang)的(de)氧化石墨烯，但(dan)这种(zhong)还原方式并不完全(quan)，石墨烯表面(mian)非(fei)常容易残余(yu)大量(liang)的(de)官能团。
氧化石墨烯还原法
基于(yu)石墨烯二维(wei)晶格构成的特定结构，相邻碳原(yuan)子之间劲度系数(shu)较(jiao)高，使(shi)得(de)石墨烯具备极高的(de)强(qiang)度、弹性(xing)模量(liang)及热导率(lv)，因此(ci)是良好的增强(qiang)体候选材料，目(mu)前主要用于树脂(zhi)基复合材料的导(dao)热(re)增强(qiang)。
（2）碳纳米管
碳纳米管是(shi)由石墨烯卷曲(qu)构(gou)成的(de)中空管状结构(gou)，沿(yan)着管壁方向，呈现出类似石墨烯的(de)高导(dao)热性能，碳纳米(mi)管(guan)的室温热导率测量值可(ke)达3000W/（m· K），目(mu)前同(tong)样较多用(yong)作树(shu)脂(zhi)基复(fu)合材(cai)料的(de)导(dao)热(re)增强体(ti)。
碳(tan)纳米管
3. 碳纤维
高导热碳纤维(wei)(wei)主要是(shi)指沥青基碳纤维(wei)(wei)，其制备原料是(shi)中间相沥青。在制(zhi)备过程中，沥青呈现液晶(jing)状(zhuang)态(tai)，固有的分子(zi)定向(xiang)(xiang)排(pai)布(bu)被(bei)保留(liu)下来，沿纤维轴(zhou)向(xiang)(xiang)石墨微晶(jing)发育完整(zheng)，微晶(jing)尺寸较(jiao)大并(bing)沿轴(zhou)向(xiang)(xiang)高度择(ze)优取向(xiang)(xiang)，因此沿轴(zhou)向(xiang)(xiang)具有较(jiao)高的热导率。
国(guo)外成(cheng)熟的高导(dao)热(re)(re)碳纤(xian)(xian)维(wei)产品，其室(shi)温热(re)(re)导(dao)率(lv)沿轴向(xiang)可高达1000W/（m·K）以上，目前我国(guo)也有一些企业(ye)和高校在(zai)进行高导(dao)热(re)(re)碳纤(xian)(xian)维(wei)的产业(ye)化，同样是用(yong)于电子散(san)热(re)(re)领域(yu)，具有高效定(ding)向(xiang)散(san)热(re)(re)效果，同时(shi)也可用(yong)于电磁(ci)屏蔽。碳纤(xian)(xian)维(wei)具有远高于金属(shu)Al或Cu基体的导(dao)热(re)(re)率(lv)，然而(er)其轴向(xiang)与径(jing)向(xiang)导(dao)热(re)(re)性能存在(zai)显著差(cha)异，因而(er)控制复(fu)合(he)(he)构型中(zhong)纤(xian)(xian)维(wei)的空(kong)间(jian)分布是改善复(fu)合(he)(he)材料导(dao)热(re)(re)性能的关(guan)键(jian)。
碳纤维用(yong)于(yu)手机(ji)高效(xiao)散(san)热
拓(tuo)展阅读：
4. 泡沫碳(tan)
高导热(re)泡(pao)沫碳通过中间相沥青加工而成，具(ju)有一定程(cheng)度的各向异性(xing)，不(bu)同方向的热(re)导率(lv)分(fen)布为40～180W/（m·K），这种泡沫结(jie)构的高导(dao)热来(lai)源于其高度石墨(mo)化的骨(gu)架结(jie)构，沿骨架壁结构(gou)的热导率(lv)可高达1800 W/（m·K以上，其特定泡沫结构可用于相(xiang)变导热(re)材料的高导热(re)骨架。
泡沫碳(tan)
拓展阅读：
5. 金(jin)刚(gang)石和类金(jin)刚(gang)石薄膜
金刚石的热导率极高，最高可达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)，这是一种亚稳态(tai)(tai)的非晶态(tai)(tai)材料，其机械、电学、光(guang)学和摩擦学特(te)性类似于金刚(gang)石，导热性是铜的(de)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。
类金刚(gang)石(shi)目前多用于工(gong)业(ye)涂层
二、高导(dao)热(re)碳/金属复合材料
碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)是(shi)金属(shu)基复(fu)合材(cai)(cai)料(liao)的(de)常用增强(qiang)相，目前这方面(mian)的(de)研究以铝、铜、镁与各类碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)的(de)复(fu)合较多，是(shi)一类具有竞争优势的(de)新型热管理材(cai)(cai)料(liao)。
拓展阅读：
导(dao)热前(qian)沿：
1. 碳(tan)纤维/金属复合材料
碳纤(xian)维/金属复(fu)合(he)材料(liao)的导热性能影响因素主要为纤(xian)维种类、体(ti)积分数(shu)、金属基体(ti)、排布取向以及(ji)复(fu)合(he)材料(liao)的界面(mian)。国外已有公司(si)采(cai)取短切碳纤(xian)维增(zeng)强制(zhi)备的铝(lv)基复(fu)合(he)材料(liao)，热导率(lv)可达(da)200W/（m·K）以上，并且其热膨(peng)胀系(xi)数(shu)与半导体(ti)材料(liao)的热膨(peng)胀系(xi)数(shu)相匹配。
考虑到长碳纤(xian)维和短(duan)碳纤(xian)维增强(qiang)铝复合材料的(de)取向(xiang)特(te)点，按照维度(du)不(bu)同，其面向(xiang)应(ying)用领域也略有差异，长碳纤(xian)(xian)维(wei)(wei)铝复合材料主(zhu)要应用在(zai)需要一维(wei)(wei)定向(xiang)热输(shu)运的领域(yu)，短碳纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增强(qiang)铝还被用于高端线(xian)路板散热领域(yu)，均有轻质、面(mian)内快速均温和高(gao)导热、低膨胀的特(te)性，同时(shi)强度较高(gao)，能(neng)够满足军事工业(ye)的高(gao)可靠性要求(qiu)。
2. 金(jin)刚石(shi)/金(jin)属复合材料
金(jin)刚石/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(zuo)、电子(zi)器件散热板等方面。
最近的研究表明，金刚石(shi)/铜复合材料(liao)的热导率(lv)可达930W/（m·K）。
3. 鳞片石墨(mo)/金属复(fu)合材料
德国弗劳恩(en)霍夫研究所通过粉末(mo)冶金(jin)SPS放电等离子(zi)烧结(jie)技术(shu)(shu)，制(zhi)(zhi)备(bei)出了以钨、铁(tie)、铝(lv)和铜(tong)为基体(ti)的鳞片石墨增强金(jin)属(shu)复合(he)材(cai)料，呈现(xian)出较高(gao)的热(re)(re)物(wu)理性(xing)能，最高(gao)热(re)(re)导(dao)率(lv)可(ke)达(da)550W/（m·K）。但是目(mu)前的制(zhi)(zhi)备(bei)技术(shu)(shu)通常会出现(xian)鳞片石墨弯曲、无法完(wan)成液态金(jin)属(shu)浸(jin)渗等问题(ti)，影响平(ping)面热(re)(re)导(dao)率(lv)和抗热(re)(re)震性(xing)，进而(er)影响热(re)(re)膨胀(zhang)系数，使其在(zai)电子(zi)封装领域的应(ying)用受到限制(zhi)(zhi)。
目前，针对(dui)鳞片石墨/金属复合材料(liao)(liao)的(de)研(yan)究重(zhong)点关注(zhu)在如何(he)兼顾材料(liao)(liao)力学性能(neng)与导(dao)热性能(neng)。
总结
碳(tan)(tan)材(cai)(cai)(cai)料在导(dao)热(re)领域的(de)(de)潜力(li)巨大(da)，尤其(qi)适用于(yu)(yu)对小空(kong)间大(da)热(re)流(liu)密度元件(jian)进行(xing)散热(re)，能(neng)够满足下(xia)一代(dai)电(dian)子元器件(jian)集(ji)功能(neng)化(hua)(hua)、微(wei)型化(hua)(hua)和(he)(he)轻薄(bo)化(hua)(hua)于(yu)(yu)一体的(de)(de)发展(zhan)(zhan)要求，对现代(dai)工(gong)业(ye)、国防和(he)(he)高(gao)技术发展(zhan)(zhan)具有(you)重要的(de)(de)战(zhan)略意义。国内对于(yu)(yu)高(gao)导(dao)热(re)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)研究已有(you)一定的(de)(de)理(li)论积累，目前(qian)的(de)(de)产(chan)(chan)业(ye)化(hua)(hua)程度仍旧处于(yu)(yu)较初期的(de)(de)阶(jie)段(duan)，人工(gong)石(shi)墨膜目前(qian)已有(you)较为成(cheng)熟的(de)(de)产(chan)(chan)品面市(shi)，是(shi)未(wei)来电(dian)子产(chan)(chan)品散热(re)的(de)(de)主流(liu)方(fang)向(xiang)，但国产(chan)(chan)石(shi)墨膜的(de)(de)应用占(zhan)比还(hai)需加强。其(qi)它高(gao)导(dao)热(re)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)(cai)料大(da)多(duo)仍处于(yu)(yu)研发阶(jie)段(duan)，尤其(qi)是(shi)碳(tan)(tan)/金(jin)属复(fu)合材(cai)(cai)(cai)料，其(qi)技术门槛较高(gao)，市(shi)场(chang)还(hai)未(wei)见成(cheng)熟的(de)(de)产(chan)(chan)品应用，大(da)多(duo)也是(shi)受限(xian)于(yu)(yu)制(zhi)备成(cheng)本，提高(gao)产(chan)(chan)品性能(neng)、简化(hua)(hua)制(zhi)备工(gong)艺、降低生(sheng)产(chan)(chan)成(cheng)本将是(shi)碳(tan)(tan)材(cai)(cai)(cai)料全行(xing)业(ye)需要致力(li)追求的(de)(de)发展(zhan)(zhan)方(fang)向(xiang)。
参考(kao)来(lai)源：
1. 高(gao)导热(re)炭/铝复合材料的研(yan)究进展，李文君、吴 琪(qi)、苗建印（北京空间飞行器总体设计部）；
2. 高导热碳材料(liao)研究进展，刘(liu)华斌(bin)（凯(kai)尔凯(kai)德科技（上海）有限公司）。
粉(fen)体圈(quan) 小吉(ji)
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