中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在當(dāng)前電子和光電子工業(yè)等領(lǐng)域，由于電子器件及其產(chǎn)品向高集成度、高運(yùn)算方向的發(fā)展，耗散功率隨之倍增，散熱問(wèn)題逐漸成為制約電子產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，尋找導(dǎo)熱性能優(yōu)異的熱量管理材料對(duì)于下一代集成電路和三維電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言是至關(guān)重要的。
傳統(tǒng)的陶瓷材料（如氮化硼、氮化鋁）和金屬材料（如銅、鋁）的熱導(dǎo)率最高也不過(guò)數(shù)百W/(m·K)，相比之下，金剛石、石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等碳材料的熱導(dǎo)率更為驚人，以石墨為例，它在平行于晶體層方向上的熱導(dǎo)率理論上可高達(dá)4180W/mk，幾乎是傳統(tǒng)金屬材料銅、銀及鋁的10倍多。另外，碳材料還具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、良好的高溫力學(xué)性能等優(yōu)異性能。
總之，碳材料有著異于常規(guī)材料的導(dǎo)/散熱“天賦”，這使其成為了近年來(lái)最具發(fā)展前景的散熱材料。
01.來(lái)看！不同碳材料的導(dǎo)熱天賦
石墨烯
石墨烯是一種從石墨中剝離出來(lái)單層碳原子面材料，具有由單層碳原子以正六邊形緊密排列構(gòu)成的呈蜂窩狀的二維平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，石墨烯內(nèi)部的碳原子之間連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有很優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。
研究表明，單層石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)3000~5300 W/(m·K)。第一次從鱗片石墨中剝離出單層石墨烯的科學(xué)家Andrew Geim說(shuō)過(guò)：“石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱率高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種很理想用于導(dǎo)熱散熱的新型材料”。
碳納米管
1991 年碳納米管發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是一個(gè)焦點(diǎn)，吸引了很多科學(xué)工作者在碳納米管的導(dǎo)熱性方面進(jìn)行研究。碳納米管由單層或多層石墨片卷曲而成，分為單壁、雙壁和多壁三種類型。
特殊的結(jié)構(gòu)賦予了碳納米管極高的導(dǎo)熱性能，有研究者測(cè)算出室溫下單壁碳納米管 的熱導(dǎo)率為3980 W/(m·K)，雙壁碳納米管的熱導(dǎo)率為3580 W/(m·K)，多壁碳納米管的熱導(dǎo)率為2860 W/(m·K)。
金剛石
金剛石微粉，來(lái)源：元素六
金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為碳原子四面體緊密排列，所有電子均參與成鍵，因此其室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)2000~2100 W/(m·K)，是自然界中導(dǎo)熱性能最佳的材料之一。這一特性使其在高端散熱領(lǐng)域具有不可替代性。
碳纖維
碳纖維通過(guò)高溫碳化處理形成亂層石墨結(jié)構(gòu)，若其軸向石墨晶格高度定向排列，則可實(shí)現(xiàn)超高導(dǎo)熱性能。例如，中間相瀝青基碳纖維的熱導(dǎo)率達(dá)1100 W/(m·K)，氣相生長(zhǎng)碳纖維的熱導(dǎo)率可達(dá)1950 W/(m·K)。
石墨
石墨屬六方晶系結(jié)構(gòu)，由六個(gè)棱面和兩個(gè)密排基面構(gòu)成，其碳原子六角網(wǎng)格第一層對(duì)第二層錯(cuò)開(kāi)六角形對(duì)角線的1/2而平行疊合，第三層和第一層位置重復(fù)，成 ＡＢＡＢ……序列。天然石墨沿（002）晶面的熱導(dǎo)率為2200 W/(m·K)，高定向熱解石墨的面內(nèi)熱導(dǎo)率亦可達(dá)到2000 W/(m·K)。
以上幾種碳材料均有極高的導(dǎo)熱性能，因此在高散熱要求領(lǐng)域備受關(guān)注，接下來(lái)我們看幾種經(jīng)典的碳基導(dǎo)/散熱材料。
02.石墨烯熱界面材料
熱界面材料填充于固體表面缺陷之間的界面間隙，有效地排除空氣，使得產(chǎn)熱元器件與散熱器件之間的接觸更加密切，大大降低了界面接觸熱阻，建立起了高效的熱傳遞通道，從而使得散熱器件的工作效率得到了最大化的提升。
不同接觸形式下發(fā)熱元件與散熱器間接觸與熱流傳輸示意圖
熱界面材料一般是以高分子材料為基體、以具有絕緣、導(dǎo)熱性能的粉體為填料復(fù)合而成。通常情況下，高分子材料的固有熱導(dǎo)率都比較低（約為0.2W/(m·K)），因此，熱界面材料的導(dǎo)熱性能往往由填料說(shuō)了算。
由于石墨烯具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，以其為填料制備的熱界面材料備受關(guān)注。
在年初工信部發(fā)布的2025年未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新任務(wù)揭榜掛帥任務(wù)榜單中涉及到了高導(dǎo)熱石墨烯熱界面材料，提出到2026年，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱低熱阻的石墨烯熱界面材料規(guī)模生產(chǎn)，垂直導(dǎo)熱系數(shù)大于300W/m·K，熱阻小于0.05K·cm2/W，壓縮殘余應(yīng)力小于30PSI（50%壓縮量），回彈率大于50%，系列產(chǎn)品在不少于10000個(gè)高功率器件上示范應(yīng)用�？梢�(jiàn)，此類材料有望在高功率電子器件中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
03.金剛石/銅熱沉材料
熱沉是熱管理的重要組成部分，主要將芯片產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，以確保核心部件正常工作，熱沉材料除了要求在平行于芯片平面方向具有與芯片匹配的低熱膨脹系數(shù)，更需要在垂直于芯片平面方向具有高的熱導(dǎo)率。此外，由于裝備服役過(guò)程中還面臨大沖擊、高頻振動(dòng)等苛刻服役環(huán)境，熱沉材料還需要具有足夠的強(qiáng)度。
金剛石熱沉片 來(lái)源：河南飛孟金剛石
第一代熱沉材料有銅、鋁等，現(xiàn)有的第二代熱沉材料如W/Cu、Mo/Cu、第三代熱沉材料如SiC/Al復(fù)合材料，熱導(dǎo)率普遍在200 W/(m·K)左右，已越來(lái)越難以滿足高功率器件的散熱需求。例如高功率雷達(dá)等微波組件現(xiàn)在采用熱導(dǎo)率略低的SiC/Al復(fù)合材料構(gòu)件，功率密度難以得到有效提升，產(chǎn)品性能指標(biāo)提高困難，同時(shí)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的難度。
由于金剛石具有極高的導(dǎo)熱性能，銅的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展性也都較好，熱導(dǎo)率達(dá)到了401W/(m·K)，遠(yuǎn)高于鋁、鉬等金屬，并且價(jià)格低廉，因此，綜合金剛石和銅的導(dǎo)熱性能，以銅為基體、金剛石為增強(qiáng)體的金剛石/銅復(fù)合材料被很多人認(rèn)為是未來(lái)主流的熱沉材料。
04.石墨烯散熱膜、石墨散熱膜
石墨散熱膜一般也稱“石墨片”“石墨膜”，化學(xué)成分主要是單一的碳(C)元素，是一種自然元素礦物�？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)方法高溫高壓下得到石墨化薄膜，因?yàn)樘荚厥欠墙饘僭�，但是卻有金屬材料的導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能，還具有像有機(jī)塑料一樣的可塑性，并且還有特殊的熱性能，化學(xué)穩(wěn)定性，潤(rùn)滑和能涂敷在固體表面等等一些良好的工藝性能，石墨散熱片平面內(nèi)具有150-1500 W/（m·k）范圍內(nèi)的超高導(dǎo)熱性能。
石墨烯散熱膜是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成的高定向散熱膜，與其他同類散熱材料相比，具有機(jī)械性能好，導(dǎo)熱系數(shù)高，質(zhì)量輕，材料薄，柔韌性好等特點(diǎn)，能夠?yàn)殡娮佑绕涫鞘謾C(jī)/筆記本行業(yè)、航空航天、醫(yī)療行業(yè)提供高品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)化的散熱解決方案。
當(dāng)前，因手機(jī)散熱不好導(dǎo)致的體驗(yàn)不好并不鮮見(jiàn)，因此散熱問(wèn)題一直是令手機(jī)廠商頭疼不已的大事，甚至有人認(rèn)為散熱已成為了手機(jī)等電子設(shè)備發(fā)展面臨的頭等大事。
作為高效的散熱材料，石墨烯散熱膜、石墨散熱膜的出現(xiàn)令手機(jī)廠商欣喜不已。自2018年首次被華為應(yīng)用于Mate20X手機(jī)后，石墨烯導(dǎo)熱膜逐漸被包括榮耀、努比亞、小米、OnePlus、OPPO、ROG、聯(lián)想等眾多手機(jī)廠商使用。在很多時(shí)候，“石墨烯散熱膜”“石墨散熱膜”已經(jīng)成為很多手機(jī)品牌新機(jī)發(fā)布時(shí)著重宣傳的大賣點(diǎn)，由此可見(jiàn)它有多香。
小結(jié)
碳材料憑借其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)，在導(dǎo)熱散熱領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。隨著制備技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，石墨烯、金剛石等碳基材料有望推動(dòng)電子、航空航天等行業(yè)的散熱方案邁向更高水平。
參考來(lái)源：
[1]劉華斌.高導(dǎo)熱碳材料研究進(jìn)展
[2]郭文滿等.聚合物 /碳基導(dǎo)熱復(fù)合材料研究進(jìn)展
[3]劉振宇等.熱沉用高導(dǎo)熱碳/金屬?gòu)?fù)合材料研究進(jìn)展
[4]中國(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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