高導(dǎo)熱材料在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用已是一項(xiàng)繞不開的課題，在眾多材料中，具備高導(dǎo)熱性能的材料通常有陶瓷、金屬、復(fù)合材料。半導(dǎo)體器件散熱的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是在其平面方向，需要散熱材料有與之匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE），其中，陶瓷材料的CTE系數(shù)過低，并且較脆；金屬材料雖然導(dǎo)熱率較高，但是CTE系數(shù)過高；復(fù)合材料最大的特點(diǎn)在于其功能和性能的可設(shè)計(jì)性，合理選擇復(fù)合材料各組元成分、含量或改變復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能調(diào)整。

導(dǎo)熱復(fù)合材料通常是將不同組分的高導(dǎo)熱材料結(jié)合，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，以達(dá)成具有可設(shè)計(jì)性的優(yōu)良性能效果，而碳材料作為一種具有資源優(yōu)勢(shì)且性能潛力巨大的材料，其本征導(dǎo)熱率較高，是理想的增強(qiáng)體候選材料，特別是以純sp2和sp3雜化成鍵的碳材料（如石墨烯和金剛石）的熱導(dǎo)率最高。為了滿足技術(shù)發(fā)展的各類需求，碳材料被設(shè)計(jì)研究出多種形態(tài)，如石墨（石墨顆粒、石墨泡沫、熱解石墨和晶質(zhì)鱗片石墨等），碳納米管、碳纖維和金剛石等。

下面小編就帶大家了解一下碳材料在導(dǎo)熱領(lǐng)域被設(shè)計(jì)成的變化多端的不同形態(tài)，以及其在不同應(yīng)用中發(fā)揮出的獨(dú)特效用。

一、高導(dǎo)熱碳增強(qiáng)相

1. 高定向石墨

石墨由于其獨(dú)特的層疊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在不同取向上會(huì)呈現(xiàn)不同的性能，這種特殊性質(zhì)被科學(xué)家充分利用，能夠設(shè)計(jì)出在特定方向上性能突出的特殊產(chǎn)品。高取向性石墨主要有天然鱗片石墨、高定向熱解石墨、高結(jié)晶度石墨膜/塊和柔性石墨片等。

（1）天然鱗片石墨

天然鱗片石墨具有較高的純度、完美的晶體取向、高結(jié)晶度、較大的微晶尺寸等特點(diǎn)，使得其成為制備高導(dǎo)熱材料的重要原料。

天然石墨與人造石墨晶體結(jié)構(gòu)對(duì)比

目前采用天然鱗片石墨制備的復(fù)合石墨材料，在平面上的熱導(dǎo)率可達(dá)到600W/（m·K）以上，天然鱗片石墨由于其高導(dǎo)熱的性能以及低廉的成本，其作為增強(qiáng)體候選材料越來越受到研究人員的廣泛青睞。

（2）高定向熱解石墨

高定向熱解石墨（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）是熱解炭或熱解石墨在高溫高壓（3400～3600℃，10MPa）下處理得到的，形成沿石墨片層方向高度取向的多晶石墨。

高定向熱解石墨板

高定向熱解石墨沿基面方向熱導(dǎo)率可達(dá)1600～2200W/（m·K），非常接近單晶石墨的性能。然而受制備工藝限制，成本較高，目前無(wú)法得到大規(guī)模應(yīng)用。

（3）高結(jié)晶度石墨膜/塊

高結(jié)晶度石墨膜是將高度定向的有機(jī)高分子薄膜（如聚酰亞胺PI、聚苯撐亞乙烯基PPV和聚惡二唑POD）在惰性氣體條件下高溫石墨化（2800～3200℃）， 得到的產(chǎn)物具有與高定向熱解石墨類似的高度擇優(yōu)取向和高石墨化度。這種高結(jié)晶度和完美的取向排列使其沿薄膜表面方向具備極高的導(dǎo)熱系數(shù)。

目前在電子散熱領(lǐng)域炒得十分火熱的高導(dǎo)熱石墨膜通常就是用此種方法制備，這種石墨膜最早于1987年由日本科學(xué)家采用PI膜制備，其熱導(dǎo)率可達(dá)1800 W/（m·K），也可進(jìn)一步制成較厚的高導(dǎo)熱定向石墨塊，熱導(dǎo)率可高達(dá)400～800W/（m·K）。

導(dǎo)熱石墨膜

通常石墨膜的熱導(dǎo)率與其密度、厚度和石墨化度有關(guān)，密度越高、膜越薄，石墨化度高，熱導(dǎo)率越高；密度越低、膜越厚、石墨化度低，熱導(dǎo)率越低。國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的石墨膜取向相對(duì)略低，日本松下生產(chǎn)的石墨膜的熱導(dǎo)率可高達(dá) 1900W/（m·K）以上，目前已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，不過石墨膜由于強(qiáng)度較低，受到力學(xué)性能的限制，其應(yīng)用限制在手機(jī)屏幕等電子設(shè)備的散熱領(lǐng)域。

（4）柔性石墨片

柔性石墨片是以鱗片石墨為原料，經(jīng)過膨化制備出蠕蟲狀膨脹石墨，再將膨脹石墨壓延、壓制得到高導(dǎo)熱柔性石墨薄片，其室溫?zé)釋?dǎo)率為200～630W/（m·K）。國(guó)內(nèi)山西煤化所在這方面研究較深，采取壓延法制備的高導(dǎo)熱柔性石墨薄板熱導(dǎo)率可達(dá)630W/（m·K）。

柔性石墨片制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，適合批量生產(chǎn)，可用于LED、柔性屏等電子器件的散熱片，以及其它對(duì)材料強(qiáng)度要求較低的散熱領(lǐng)域。

用于柔性電子器件

2. 納米碳材料

高導(dǎo)熱方面應(yīng)用的納米碳材料主要包括石墨烯和碳納米管兩類。

（1）石墨烯

石墨烯是單層的碳原子形成致密的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，是其他維度石墨材料的基本組成，如零維時(shí)可以卷曲成球狀結(jié)構(gòu)，成為巴基球（C60，富勒烯）；一維時(shí)卷曲成為管狀結(jié)構(gòu)，為碳納米管；三維時(shí)堆疊成為石墨。理論上石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)5000W/（m·K）以上，其在熱管理材料中占有非常重要的位置，如作為增強(qiáng)體可以大幅度提高聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

目前工業(yè)產(chǎn)量最大的為機(jī)械剝離法，這種方法易于批量生產(chǎn)，但得到并非嚴(yán)格意義上的石墨烯，而主要為石墨納米片，這種工藝路線會(huì)使石墨納米片部分晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，一定程度上影響導(dǎo)熱性能。還有一種較為普遍的石墨烯生產(chǎn)方法是氧化石墨烯還原法，首先需要得到批量的氧化石墨烯，但這種還原方式并不完全，石墨烯表面非常容易殘余大量的官能團(tuán)。

氧化石墨烯還原法

基于石墨烯二維晶格構(gòu)成的特定結(jié)構(gòu)，相鄰碳原子之間勁度系數(shù)較高，使得石墨烯具備極高的強(qiáng)度、彈性模量及熱導(dǎo)率，因此是良好的增強(qiáng)體候選材料，目前主要用于樹脂基復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)。

（2）碳納米管

碳納米管是由石墨烯卷曲構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)，沿著管壁方向，呈現(xiàn)出類似石墨烯的高導(dǎo)熱性能，碳納米管的室溫?zé)釋?dǎo)率測(cè)量值可達(dá)3000W/（m· K），目前同樣較多用作樹脂基復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)體。

碳納米管

3. 碳纖維

高導(dǎo)熱碳纖維主要是指瀝青基碳纖維，其制備原料是中間相瀝青。在制備過程中，瀝青呈現(xiàn)液晶狀態(tài)，固有的分子定向排布被保留下來，沿纖維軸向石墨微晶發(fā)育完整，微晶尺寸較大并沿軸向高度擇優(yōu)取向，因此沿軸向具有較高的熱導(dǎo)率。

國(guó)外成熟的高導(dǎo)熱碳纖維產(chǎn)品，其室溫?zé)釋?dǎo)率沿軸向可高達(dá)1000W/（m·K）以上，目前我國(guó)也有一些企業(yè)和高校在進(jìn)行高導(dǎo)熱碳纖維的產(chǎn)業(yè)化，同樣是用于電子散熱領(lǐng)域，具有高效定向散熱效果，同時(shí)也可用于電磁屏蔽。碳纖維具有遠(yuǎn)高于金屬Al或Cu基體的導(dǎo)熱率，然而其軸向與徑向?qū)嵝阅艽嬖陲@著差異，因而控制復(fù)合構(gòu)型中纖維的空間分布是改善復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。

碳纖維用于手機(jī)高效散熱

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4. 泡沫碳

高導(dǎo)熱泡沫碳通過中間相瀝青加工而成，具有一定程度的各向異性，不同方向的熱導(dǎo)率分布為40～180W/（m·K），這種泡沫結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱來源于其高度石墨化的骨架結(jié)構(gòu)，沿骨架壁結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率可高達(dá)1800 W/（m·K以上，其特定泡沫結(jié)構(gòu)可用于相變導(dǎo)熱材料的高導(dǎo)熱骨架。

泡沫碳

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5. 金剛石和類金剛石薄膜

金剛石的熱導(dǎo)率極高，最高可達(dá)2000W/（m·K）以上，并且具有極高的硬度以及良好的絕緣性能，是非常理想的電子元器件散熱材料。但自然界中鉆石的存量無(wú)法滿足大量的工業(yè)需要，人工合成的金剛石成本居高不下，使其無(wú)法在導(dǎo)熱方面得到大規(guī)模應(yīng)用。因而科學(xué)家們通過氣相沉積技術(shù)，發(fā)展了類金剛石薄膜(Diamond-like Carbon，簡(jiǎn)稱DLC)，這是一種亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)材料，其機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)和摩擦學(xué)特性類似于金剛石，導(dǎo)熱性是銅的2-3倍，這種薄膜具有成本相對(duì)較低、可大面積制備的特點(diǎn)，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用可接受的成本。

類金剛石目前多用于工業(yè)涂層

二、高導(dǎo)熱碳/金屬?gòu)?fù)合材料

碳材料是金屬基復(fù)合材料的常用增強(qiáng)相，目前這方面的研究以鋁、銅、鎂與各類碳材料的復(fù)合較多，是一類具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新型熱管理材料。

拓展閱讀：金屬基復(fù)合材料會(huì)是下一代高導(dǎo)熱電子封裝材料嗎？

導(dǎo)熱前沿：淺談金剛石/鋁復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化與國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1. 碳纖維/金屬?gòu)?fù)合材料

碳纖維/金屬?gòu)?fù)合材料的導(dǎo)熱性能影響因素主要為纖維種類、體積分?jǐn)?shù)、金屬基體、排布取向以及復(fù)合材料的界面。國(guó)外已有公司采取短切碳纖維增強(qiáng)制備的鋁基復(fù)合材料，熱導(dǎo)率可達(dá)200W/（m·K）以上，并且其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配。

考慮到長(zhǎng)碳纖維和短碳纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的取向特點(diǎn)，按照維度不同，其面向應(yīng)用領(lǐng)域也略有差異，長(zhǎng)碳纖維鋁復(fù)合材料主要應(yīng)用在需要一維定向熱輸運(yùn)的領(lǐng)域，短碳纖維增強(qiáng)鋁還被用于高端線路板散熱領(lǐng)域，均有輕質(zhì)、面內(nèi)快速均溫和高導(dǎo)熱、低膨脹的特性，同時(shí)強(qiáng)度較高，能夠滿足軍事工業(yè)的高可靠性要求。

2. 金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料

金剛石/鋁和金剛石/銅是第四代電子封裝用金屬基復(fù)合材料，其出現(xiàn)的主 要原因是Si/Al和SiC/Al無(wú)法跟上高密度高功率電子器件更新?lián)Q代的封裝散熱需求，可用于IGBT底座、電子器件散熱板等方面。

最近的研究表明，金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)930W/（m·K）。

3. 鱗片石墨/金屬?gòu)?fù)合材料

德國(guó)弗勞恩霍夫研究所通過粉末冶金SPS放電等離子燒結(jié)技術(shù)，制備出了以鎢、鐵、鋁和銅為基體的鱗片石墨增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料，呈現(xiàn)出較高的熱物理性能，最高熱導(dǎo)率可達(dá)550W/（m·K）。但是目前的制備技術(shù)通常會(huì)出現(xiàn)鱗片石墨彎曲、無(wú)法完成液態(tài)金屬浸滲等問題，影響平面熱導(dǎo)率和抗熱震性，進(jìn)而影響熱膨脹系數(shù)，使其在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。

目前，針對(duì)鱗片石墨/金屬?gòu)?fù)合材料的研究重點(diǎn)關(guān)注在如何兼顧材料力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能。

總結(jié)

碳材料在導(dǎo)熱領(lǐng)域的潛力巨大，尤其適用于對(duì)小空間大熱流密度元件進(jìn)行散熱，能夠滿足下一代電子元器件集功能化、微型化和輕薄化于一體的發(fā)展要求，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和高技術(shù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。國(guó)內(nèi)對(duì)于高導(dǎo)熱碳材料的研究已有一定的理論積累，目前的產(chǎn)業(yè)化程度仍舊處于較初期的階段，人工石墨膜目前已有較為成熟的產(chǎn)品面市，是未來電子產(chǎn)品散熱的主流方向，但國(guó)產(chǎn)石墨膜的應(yīng)用占比還需加強(qiáng)。其它高導(dǎo)熱碳材料大多仍處于研發(fā)階段，尤其是碳/金屬?gòu)?fù)合材料，其技術(shù)門檻較高，市場(chǎng)還未見成熟的產(chǎn)品應(yīng)用，大多也是受限于制備成本，提高產(chǎn)品性能、簡(jiǎn)化制備工藝、降低生產(chǎn)成本將是碳材料全行業(yè)需要致力追求的發(fā)展方向。

參考來源：

1. 高導(dǎo)熱炭/鋁復(fù)合材料的研究進(jìn)展，李文君、吳 琪、苗建?。ū本┛臻g飛行器總體設(shè)計(jì)部）；

2. 高導(dǎo)熱碳材料研究進(jìn)展，劉華斌（凱爾凱德科技（上海）有限公司）。

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