中國粉體網訊 在當前電子和光電子工業(yè)等領域，由于電子器件及其產品向高集成度、高運算方向的發(fā)展，耗散功率隨之倍增，散熱問題逐漸成為制約電子產業(yè)持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，尋找導熱性能優(yōu)異的熱量管理材料對于下一代集成電路和三維電子產品設計而言是至關重要的。
傳統的陶瓷材料（如氮化硼、氮化鋁）和金屬材料（如銅、鋁）的熱導率最高也不過數百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率更為驚人，以石墨為例，它在平行于晶體層方向上的熱導率理論上可高達4180W/mk，幾乎是傳統金屬材料銅、銀及鋁的10倍多。另外，碳材料還具有低密度、低熱膨脹系數、良好的高溫力學性能等優(yōu)異性能。
總之，碳材料有著異于常規(guī)材料的導/散熱“天賦”，這使其成為了近年來最具發(fā)展前景的散熱材料。
01.來看！不同碳材料的導熱天賦
石墨烯
石墨烯是一種從石墨中剝離出來單層碳原子面材料，具有由單層碳原子以正六邊形緊密排列構成的呈蜂窩狀的二維平面結構，結構非常穩(wěn)定，石墨烯內部的碳原子之間連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持了結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使石墨烯具有很優(yōu)秀的導熱性。
研究表明，單層石墨烯的室溫熱導率可達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家Andrew Geim說過：“石墨烯導電導熱率高，化學結構又十分穩(wěn)定，是一種很理想用于導熱散熱的新型材料”。
碳納米管
1991 年碳納米管發(fā)現以來，一直是一個焦點，吸引了很多科學工作者在碳納米管的導熱性方面進行研究。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。
特殊的結構賦予了碳納米管極高的導熱性能，有研究者測算出室溫下單壁碳納米管 的熱導率為3980 W/(m·K)，雙壁碳納米管的熱導率為3580 W/(m·K)，多壁碳納米管的熱導率為2860 W/(m·K)。
金剛石
金剛石微粉，來源：元素六
金剛石的晶體結構為碳原子四面體緊密排列，所有電子均參與成鍵，因此其室溫熱導率高達2000~2100 W/(m·K)，是自然界中導熱性能最佳的材料之一。這一特性使其在高端散熱領域具有不可替代性。
碳纖維
碳纖維通過高溫碳化處理形成亂層石墨結構，若其軸向石墨晶格高度定向排列，則可實現超高導熱性能。例如，中間相瀝青基碳纖維的熱導率達1100 W/(m·K)，氣相生長碳纖維的熱導率可達1950 W/(m·K)。
石墨
石墨屬六方晶系結構，由六個棱面和兩個密排基面構成，其碳原子六角網格第一層對第二層錯開六角形對角線的1/2而平行疊合，第三層和第一層位置重復，成 ＡＢＡＢ……序列。天然石墨沿（002）晶面的熱導率為2200 W/(m·K)，高定向熱解石墨的面內熱導率亦可達到2000 W/(m·K)。
以上幾種碳材料均有極高的導熱性能，因此在高散熱要求領域備受關注，接下來我們看幾種經典的碳基導/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、導熱性能的粉體為填料復合而成。通常情況下，高分子材料的固有熱導率都比較低（約為0.2W/(m·K)），因此，熱界面材料的導熱性能往往由填料說了算。
由于石墨烯具有極高的導熱系數，以其為填料制備的熱界面材料備受關注。
在年初工信部發(fā)布的2025年未來產業(yè)創(chuàng)新任務揭榜掛帥任務榜單中涉及到了高導熱石墨烯熱界面材料，提出到2026年，實現高導熱低熱阻的石墨烯熱界面材料規(guī)模生產，垂直導熱系數大于300W/m·K，熱阻小于0.05K·cm2/W，壓縮殘余應力小于30PSI（50%壓縮量），回彈率大于50%，系列產品在不少于10000個高功率器件上示范應用。可見，此類材料有望在高功率電子器件中實現廣泛應用。
03.金剛石/銅熱沉材料
熱沉是熱管理的重要組成部分，主要將芯片產生的熱量快速導出，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，更需要在垂直于芯片平面方向具有高的熱導率。此外，由于裝備服役過程中還面臨大沖擊、高頻振動等苛刻服役環(huán)境，熱沉材料還需要具有足夠的強度。
金剛石熱沉片 來源：河南飛孟金剛石
第一代熱沉材料有銅、鋁等，現有的第二代熱沉材料如W/Cu、Mo/Cu、第三代熱沉材料如SiC/Al復合材料，熱導率普遍在200 W/(m·K)左右，已越來越難以滿足高功率器件的散熱需求。例如高功率雷達等微波組件現在采用熱導率略低的SiC/Al復合材料構件，功率密度難以得到有效提升，產品性能指標提高困難，同時給產品設計開發(fā)帶來極大的難度。
由于金剛石具有極高的導熱性能，銅的導熱、導電、延展性也都較好，熱導率達到了401W/(m·K)，遠高于鋁、鉬等金屬，并且價格低廉，因此，綜合金剛石和銅的導熱性能，以銅為基體、金剛石為增強體的金剛石/銅復合材料被很多人認為是未來主流的熱沉材料。
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”，化學成分主要是單一的碳(C)元素，是一種自然元素礦物。可以通過化學方法高溫高壓下得到石墨化薄膜，因為碳元素是非金屬元素，但是卻有金屬材料的導電，導熱性能，還具有像有機塑料一樣的可塑性，并且還有特殊的熱性能，化學穩(wěn)定性，潤滑和能涂敷在固體表面等等一些良好的工藝性能，石墨散熱片平面內具有150-1500 W/（m·k）范圍內的超高導熱性能。
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，具有機械性能好，導熱系數高，質量輕，材料薄，柔韌性好等特點，能夠為電子尤其是手機/筆記本行業(yè)、航空航天、醫(yī)療行業(yè)提供高品質、經濟化的散熱解決方案。
當前，因手機散熱不好導致的體驗不好并不鮮見，因此散熱問題一直是令手機廠商頭疼不已的大事，甚至有人認為散熱已成為了手機等電子設備發(fā)展面臨的頭等大事。
作為高效的散熱材料，石墨烯散熱膜、石墨散熱膜的出現令手機廠商欣喜不已。自2018年首次被華為應用于Mate20X手機后，石墨烯導熱膜逐漸被包括榮耀、努比亞、小米、OnePlus、OPPO、ROG、聯想等眾多手機廠商使用。在很多時候，“石墨烯散熱膜”“石墨散熱膜”已經成為很多手機品牌新機發(fā)布時著重宣傳的大賣點，由此可見它有多香。
小結
碳材料憑借其獨特的晶體結構與物理化學性質，在導熱散熱領域展現出不可替代的優(yōu)勢。隨著制備技術的進步與應用場景的拓展，石墨烯、金剛石等碳基材料有望推動電子、航空航天等行業(yè)的散熱方案邁向更高水平。
參考來源：
[1]劉華斌.高導熱碳材料研究進展
[2]郭文滿等.聚合物 /碳基導熱復合材料研究進展
[3]劉振宇等.熱沉用高導熱碳/金屬復合材料研究進展
[4]中國粉體網
（中國粉體網/山川）
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