說(shuō)起碳纖維，很多人可能第一印象就是——這是一種高強(qiáng)度、高耐熱、難變形又重量輕的新材料，這些優(yōu)越的性能，用在航空航天領(lǐng)域再適合不過(guò)了。使用碳纖維與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的碳纖維復(fù)合材料（CFRP），無(wú)論是飛機(jī)、導(dǎo)彈、航空器、運(yùn)載火箭、艦艇、軌道交通等重點(diǎn)領(lǐng)域，都缺不了它，其中以日本東麗公司為代表，產(chǎn)品水平在世界范圍內(nèi)首屈一指。

碳纖維材料

但上述所說(shuō)的碳纖維，只是碳纖維類型里的其中一種，即聚丙烯腈基（PAN）碳纖維，是用作結(jié)構(gòu)材料的“天選之子”，我們今天要提到的，卻是另一種極為適合用在導(dǎo)熱領(lǐng)域的碳纖維——瀝青基碳纖維。

PAN基與瀝青基碳纖維重點(diǎn)性能對(duì)比

從以上性能對(duì)比可知，瀝青基碳纖維與PAN碳纖維走的是不同的發(fā)展方向，后者主要發(fā)揮力學(xué)優(yōu)勢(shì)，主要用作結(jié)構(gòu)材料；而前者在追求高強(qiáng)度的同時(shí)，優(yōu)勢(shì)在于導(dǎo)熱，主要用作功能材料。

中間相瀝青經(jīng)過(guò)熔融紡絲、氧化、碳化、石墨化等流程后成為中間相瀝青基碳纖維。平面分子結(jié)構(gòu)的中間相瀝青在纖維中沿纖維軸方向高度取向，在高溫石墨化過(guò)程中，形成片層石墨微晶，是中間相瀝青基碳纖維能夠具有高模量、高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

瀝青基碳纖維的結(jié)構(gòu)（具有軸向高強(qiáng)度高導(dǎo)熱）

自從進(jìn)入5G時(shí)代，高速高功率通信技術(shù)對(duì)導(dǎo)熱要求極為苛刻，傳統(tǒng)導(dǎo)熱方案已經(jīng)無(wú)法滿足要求，尤其是芯片等核心部件，為實(shí)現(xiàn)與5G相匹配的運(yùn)行處理能力，對(duì)導(dǎo)熱方案提出了新的要求。瀝青基碳纖維除了導(dǎo)熱系數(shù)高，更是因其纖維軸向結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的可定向?qū)嵝阅?/span>，可顛覆傳統(tǒng)的芯片散熱解決方案，因此中間相瀝青基碳纖維正逐漸成為解決5G領(lǐng)域?qū)釂?wèn)題的核心材料。

瀝青基碳纖維作為導(dǎo)熱填料制備的導(dǎo)熱墊片，在5G的各類應(yīng)用場(chǎng)景有著廣泛的應(yīng)用，非常適合發(fā)熱密度高的散熱需求。

具有高散熱需求的5G應(yīng)用場(chǎng)景

目前用Al₂O₃、MgO、BN、AlN等無(wú)機(jī)粉末填充制成的導(dǎo)熱墊片，其導(dǎo)熱性能取決于粉體的填充量，往往會(huì)出現(xiàn)在基體聚合物中難以分散、填充量受限等問(wèn)題，導(dǎo)致最終墊片的導(dǎo)熱性能做不到太高，無(wú)法發(fā)揮出填料本身的高熱導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。

而瀝青基短切纖維、磨碎纖維在聚合物基體中有良好的分散性能，不需要任何輔助手段，其本身就是以獨(dú)立分散的粒狀形態(tài)存在，并且填充工藝性好，不會(huì)引起體系粘稠度過(guò)高、彈性低、力學(xué)性能差等問(wèn)題。同時(shí)，瀝青基碳纖維填充到高分子基體中時(shí)可以通過(guò)流場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等方式進(jìn)行陣列定向，在特定方向達(dá)到極好的導(dǎo)熱效果。當(dāng)填料達(dá)到一定含量后，相同填料比例，取向性好的情況下導(dǎo)熱系數(shù)是填料無(wú)序排列時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的3倍以上。

碳纖維高導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱原理

日本企業(yè)通過(guò)對(duì)中間相瀝青基碳纖維的陣列定向制得的硅膠導(dǎo)熱墊片，已經(jīng)從最高10W/mK的導(dǎo)熱水平，提高到50W/mK。這是顛覆性的提升，不僅是在5G應(yīng)用領(lǐng)域，甚至是6G領(lǐng)域，也可以采取這種定向?qū)岱桨浮?/span>

而在國(guó)內(nèi)，一些通訊領(lǐng)域?qū)岵牧系南冗M(jìn)企業(yè)，也已經(jīng)開(kāi)始采用中間相瀝青基碳纖維作為新一代導(dǎo)熱材料，將中間相瀝青基碳纖維定向陣列化，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱性能指標(biāo)質(zhì)的提升，目前已經(jīng)量產(chǎn)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到25W/mK的柔性導(dǎo)熱墊片。

日本迪睿合（前身為索尼化學(xué)）碳纖維導(dǎo)熱墊片

阪東化學(xué)碳纖維導(dǎo)熱墊片（可做絕緣處理）

目前已經(jīng)有一些高端電子設(shè)備開(kāi)始使用碳纖維導(dǎo)熱，最常見(jiàn)的就是智能手機(jī)散熱。

早在2018年，三星Galaxy Note9采用創(chuàng)新的碳纖維液冷系統(tǒng)，把筆記本上用到的碳纖維散熱技術(shù)加到手機(jī)上，讓散熱更加高效，而如今也有越來(lái)越多的品牌手機(jī)開(kāi)始在散熱系統(tǒng)里應(yīng)用碳纖維。

例如vivo新品線上發(fā)布會(huì)推出iQOO3 5G手機(jī)，在散熱方面采用了碳纖維+VC液冷散熱，以“超導(dǎo)碳纖維”和“液冷均熱板”為主體。 三星Galaxy S20全系列，支持5G通信技術(shù)，散熱方式采用vapor chamber均熱板+石墨膜+銅箔+高導(dǎo)碳纖維墊片等。

三星手機(jī)碳纖維液冷系統(tǒng)

在手機(jī)的散熱方案中，經(jīng)常采用金屬熱管與導(dǎo)熱片結(jié)合的方式，導(dǎo)熱片作用于芯片部位，熱管連接導(dǎo)熱片將熱量傳導(dǎo)到其他區(qū)域進(jìn)行散熱。

但金屬熱管有許多缺點(diǎn)：

（1）金屬熱管無(wú)法任意設(shè)計(jì)成所需形態(tài)，難以在電子設(shè)備狹小且不規(guī)則的空間內(nèi)有效導(dǎo)熱；

（2）在熱管的傳熱路徑中不可避免的存在其他精密部件，而金屬導(dǎo)熱方向不可控，并且熱膨脹系數(shù)大，勢(shì)必影響其他部件的穩(wěn)定性；

（3）銅等金屬雖然導(dǎo)熱性能較好，但由于密度大，不符合電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)。

熱管散熱

使用瀝青基碳纖維就可以進(jìn)行合理設(shè)計(jì)使其發(fā)揮熱管的導(dǎo)熱作用，解決熱管在使用中的問(wèn)題，由它制成的復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)熱方向的可設(shè)計(jì)性、重量輕、熱膨脹系數(shù)低，在如今配置越來(lái)越高、外形越來(lái)越輕薄的消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，瀝青基碳纖維已經(jīng)逐漸變得不可或缺。

目前，高性能瀝青基碳纖維的核心技術(shù)及工業(yè)化由日本、美國(guó)等國(guó)家壟斷并實(shí)行技術(shù)封鎖和出口限制，但在導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱粉的產(chǎn)品上其實(shí)也發(fā)展不久。目前做碳纖維比較好的有東麗、帝人、三菱、NGF（日本石墨纖維公司），其中東麗、帝人主做PAN基碳纖維，三菱PAN基和瀝青基都有涉及，但導(dǎo)熱粉的市場(chǎng)還不太重視，NGF主做導(dǎo)熱方向的瀝青基碳纖維，幾家做導(dǎo)熱墊片的龍頭企業(yè)主要用的就是NGF的碳纖維導(dǎo)熱粉。

NGF碳纖維導(dǎo)熱粉

我國(guó)因近些年來(lái)主要集中力量發(fā)展PAN基碳纖維，對(duì)瀝青碳纖維研究工作發(fā)展較為滯后，但這方面的研究在2010年以后也有了較大的發(fā)展和突破，其中以湖南大學(xué)為代表，目前已成功通過(guò)湖南東映碳材料科技有限公司作為產(chǎn)學(xué)研基地，建成了20噸/年高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維生產(chǎn)線，其瀝青基碳纖維具有高模量（＞900GPa）和高導(dǎo)熱（＞800W/mK）優(yōu)勢(shì)。

瀝青基碳纖維是電子產(chǎn)品熱管理等領(lǐng)域高導(dǎo)熱需求的不可多得的材料，隨著5G的發(fā)展，也必將從目前的消費(fèi)電子設(shè)備逐漸輻射到其他的應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)目前在中間相瀝青基碳纖維產(chǎn)品的自主生產(chǎn)供應(yīng)也逐漸發(fā)展壯大，也有越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始注重研發(fā)生產(chǎn)碳纖維導(dǎo)熱應(yīng)用產(chǎn)品，在5G導(dǎo)熱領(lǐng)域，瀝青基碳纖維正逐漸大放異彩。

粉體圈 小吉