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鄒小姐：13326633089 -
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高導熱材料在現代科技中的應用已是一項繞不開的課題，在眾多材料中，具備高導熱性能的材料通常有陶瓷、金屬、復合材料。半導體器件散熱的一個關鍵點就是在其平面方向，需要散熱材料有與之匹配的熱膨脹系數（CTE），其中，陶瓷材料的CTE系數過低，并且較脆；金屬材料雖然導熱率較高，但是CTE系數過高；復合材料最大的特點在于其功能和性能的可設計性，合理選擇復合材料各組元成分、含量或改變復合材料的熱處理狀態，可以實現復合材料性能調整。
導熱復合材料通常是將不同組分的高導熱材料結合，發揮各自的性能優勢，以達成具有可設計性的優良性能效果，而碳材料作為一種具有資源優勢且性能潛力巨大的材料，其本征導熱率較高，是理想的增強體候選材料，特別是以純sp2和sp3雜化成鍵的碳材料（如石墨烯和金剛石）的熱導率最高。為了滿足技術發展的各類需求，碳材料被設計研究出多種形態，如石墨（石墨顆粒、石墨泡沫、熱解石墨和晶質鱗片石墨等），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熱領域被設計成的變化多端的不同形態，以及其在不同應用中發揮出的獨特效用。
一、高導熱碳增強相
1. 高定向石墨
石墨由于其獨特的層疊結構，導致在不同取向上會呈現不同的性能，這種特殊性質被科學家充分利用，能夠設計出在特定方向上性能突出的特殊產品。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、高結晶度、較大的微晶尺寸等特點，使得其成為制備高導熱材料的重要原料。
天然石墨與人造石墨晶體結構對比
目前采用天然鱗片石墨制備的復合石墨材料，在平面上的熱導率可達到600W/（m·K）以上，天然鱗片石墨由于其高導熱的性能以及低廉的成本，其作為增強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率可達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，目前無法得到大規模應用。
（3）高結晶度石墨膜/塊
高結晶度石墨膜是將高度定向的有機高分子薄膜（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℃）， 得到的產物具有與高定向熱解石墨類似的高度擇優取向和高石墨化度。這種高結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熱系數。
目前在電子散熱領域炒得十分火熱的高導熱石墨膜通常就是用此種方法制備，這種石墨膜最早于1987年由日本科學家采用PI膜制備，其熱導率可達1800 W/（m·K），也可進一步制成較厚的高導熱定向石墨塊，熱導率可高達400～800W/（m·K）。
導熱石墨膜
通常石墨膜的熱導率與其密度、厚度和石墨化度有關，密度越高、膜越薄，石墨化度高，熱導率越高；密度越低、膜越厚、石墨化度低，熱導率越低。國內目前生產的石墨膜取向相對略低，日本松下生產的石墨膜的熱導率可高達 1900W/（m·K）以上，目前已經大規模產業化，不過石墨膜由于強度較低，受到力學性能的限制，其應用限制在手機屏幕等電子設備的散熱領域。
（4）柔性石墨片
柔性石墨片是以鱗片石墨為原料，經過膨化制備出蠕蟲狀膨脹石墨，再將膨脹石墨壓延、壓制得到高導熱柔性石墨薄片，其室溫熱導率為200～630W/（m·K）。國內山西煤化所在這方面研究較深，采取壓延法制備的高導熱柔性石墨薄板熱導率可達630W/（m·K）。
柔性石墨片制備工藝簡單、成本低，適合批量生產，可用于LED、柔性屏等電子器件的散熱片，以及其它對材料強度要求較低的散熱領域。
用于柔性電子器件
2. 納米碳材料
高導熱方面應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構，是其他維度石墨材料的基本組成，如零維時可以卷曲成球狀結構，成為巴基球（C60，富勒烯）；一維時卷曲成為管狀結構，為碳納米管；三維時堆疊成為石墨。理論上石墨烯的熱導率可達5000W/（m·K）以上，其在熱管理材料中占有非常重要的位置，如作為增強體可以大幅度提高聚合物基復合材料的熱導率。
目前工業產量最大的為機械剝離法，這種方法易于批量生產，但得到并非嚴格意義上的石墨烯，而主要為石墨納米片，這種工藝路線會使石墨納米片部分晶體結構受到破壞，一定程度上影響導熱性能。還有一種較為普遍的石墨烯生產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。
氧化石墨烯還原法
基于石墨烯二維晶格構成的特定結構，相鄰碳原子之間勁度系數較高，使得石墨烯具備極高的強度、彈性模量及熱導率，因此是良好的增強體候選材料，目前主要用于樹脂基復合材料的導熱增強。
（2）碳納米管
碳納米管是由石墨烯卷曲構成的中空管狀結構，沿著管壁方向，呈現出類似石墨烯的高導熱性能，碳納米管的室溫熱導率測量值可達3000W/（m· K），目前同樣較多用作樹脂基復合材料的導熱增強體。
碳納米管
3. 碳纖維
高導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，瀝青呈現液晶狀態，固有的分子定向排布被保留下來，沿纖維軸向石墨微晶發育完整，微晶尺寸較大并沿軸向高度擇優取向，因此沿軸向具有較高的熱導率。
國外成熟的高導熱碳纖維產品，其室溫熱導率沿軸向可高達1000W/（m·K）以上，目前我國也有一些企業和高校在進行高導熱碳纖維的產業化，同樣是用于電子散熱領域，具有高效定向散熱效果，同時也可用于電磁屏蔽。碳纖維具有遠高于金屬Al或Cu基體的導熱率，然而其軸向與徑向導熱性能存在顯著差異，因而控制復合構型中纖維的空間分布是改善復合材料導熱性能的關鍵。
碳纖維用于手機高效散熱
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4. 泡沫碳
高導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，不同方向的熱導率分布為40～180W/（m·K），這種泡沫結構的高導熱來源于其高度石墨化的骨架結構，沿骨架壁結構的熱導率可高達1800 W/（m·K以上，其特定泡沫結構可用于相變導熱材料的高導熱骨架。
泡沫碳
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5. 金剛石和類金剛石薄膜
金剛石的熱導率極高，最高可達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法滿足大量的工業需要，人工合成的金剛石成本居高不下，使其無法在導熱方面得到大規模應用。因而科學家們通過氣相沉積技術，發展了類金剛石薄膜(Diamond-like Carbon，簡稱DLC)，這是一種亞穩態的非晶態材料，其機械、電學、光學和摩擦學特性類似于金剛石，導熱性是銅的2-3倍，這種薄膜具有成本相對較低、可大面積制備的特點，但仍然遠遠超過工業上大規模應用可接受的成本。
類金剛石目前多用于工業涂層
二、高導熱碳/金屬復合材料
碳材料是金屬基復合材料的常用增強相，目前這方面的研究以鋁、銅、鎂與各類碳材料的復合較多，是一類具有競爭優勢的新型熱管理材料。
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導熱前沿：
1. 碳纖維/金屬復合材料
碳纖維/金屬復合材料的導熱性能影響因素主要為纖維種類、體積分數、金屬基體、排布取向以及復合材料的界面。國外已有公司采取短切碳纖維增強制備的鋁基復合材料，熱導率可達200W/（m·K）以上，并且其熱膨脹系數與半導體材料的熱膨脹系數相匹配。
考慮到長碳纖維和短碳纖維增強鋁復合材料的取向特點，按照維度不同，其面向應用領域也略有差異，長碳纖維鋁復合材料主要應用在需要一維定向熱輸運的領域，短碳纖維增強鋁還被用于高端線路板散熱領域，均有輕質、面內快速均溫和高導熱、低膨脹的特性，同時強度較高，能夠滿足軍事工業的高可靠性要求。
2. 金剛石/金屬復合材料
金剛石/鋁和金剛石/銅是第四代電子封裝用金屬基復合材料，其出現的主 要原因是Si/Al和SiC/Al無法跟上高密度高功率電子器件更新換代的封裝散熱需求，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/銅復合材料的熱導率可達930W/（m·K）。
3. 鱗片石墨/金屬復合材料
德國弗勞恩霍夫研究所通過粉末冶金SPS放電等離子燒結技術，制備出了以鎢、鐵、鋁和銅為基體的鱗片石墨增強金屬復合材料，呈現出較高的熱物理性能，最高熱導率可達550W/（m·K）。但是目前的制備技術通常會出現鱗片石墨彎曲、無法完成液態金屬浸滲等問題，影響平面熱導率和抗熱震性，進而影響熱膨脹系數，使其在電子封裝領域的應用受到限制。
目前，針對鱗片石墨/金屬復合材料的研究重點關注在如何兼顧材料力學性能與導熱性能。
總結
碳材料在導熱領域的潛力巨大，尤其適用于對小空間大熱流密度元件進行散熱，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展要求，對現代工業、國防和高技術發展具有重要的戰略意義。國內對于高導熱碳材料的研究已有一定的理論積累，目前的產業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品面市，是未來電子產品散熱的主流方向，但國產石墨膜的應用占比還需加強。其它高導熱碳材料大多仍處于研發階段，尤其是碳/金屬復合材料，其技術門檻較高，市場還未見成熟的產品應用，大多也是受限于制備成本，提高產品性能、簡化制備工藝、降低生產成本將是碳材料全行業需要致力追求的發展方向。
參考來源：
1. 高導熱炭/鋁復合材料的研究進展，李文君、吳 琪、苗建印（北京空間飛行器總體設計部）；
2. 高導熱碳材料研究進展，劉華斌（凱爾凱德科技（上海）有限公司）。
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