导热材料哪家强？

碳材料具有超高的导热率，根据分子动力学模拟计算，石墨在平行于晶体层方向上的热导率理论上可高达4180W·m-1·K-1，几乎是传统金属材料铜、银及铝的１０倍多；碳材料还具有低密度、低热膨胀系数、良好的高温力学性能等优异性能，是近年来最具发展前景的散热材料。

目前有关高导热碳材料成为一个研究热点，也取得很多成果，作者结合碳材料的导热机理，重点介绍金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维及其复合材料等几种高导热碳材料的研究现状和发展趋势。

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金钢石薄膜

金刚石的晶格结构为碳正四面体，碳原子的所有电子都已成键，天然金刚石的室温热导率是已知自然界材料中最高的，为2000~2100W·m-1·K-1。Nakamura等以富碳十二的甲烷为原料裂解得到富碳十二碳粉，再以此碳粉在高温、高压下合成了碳十二金刚石单晶，测得其在36℃时的热导率为2990W·m-1·K-1。

人工合成金刚石的方法最早有爆炸法、静压法，通过石墨转化也可人工合成金刚石，但二者之间存在着巨大的能量势垒，生产工艺须依靠高温高压技术，极大增加了生产成本；自从化学气相沉积法(CVD)被用来制备金刚石薄膜以来,得到的薄膜产品面积大?质量高,且成本相对较低?金曾孙等用直流热阴极CVD法在钽盘上得到了透明金刚石薄膜,薄膜尺寸为40~80mm,膜厚达4.2mm,热导率为1000~1200W·m-1·K-1。

瞿全炎等以甲烷(CH4)和氢气(H2)为原料,采用CVD法制备金刚石薄膜,讨论了主要沉积参数对薄膜的微观结构和热导率的影响,发现热导率与甲烷气体量及操作温度有关,在CH4的体积分数为1.5%?操作温度为880~920℃时,金刚石的热导率最高,约为1000W·m-1·K-1；研究还发现金刚石的高导热率与喷嘴与真空仓之间的压力差、原材料的高纯度及高致密度有关。

方梅等利用热丝化学气相沉积法在氧化铍基体上沉积了金刚石薄膜，将氧化铍的热导率提高了12.1%~34.4%；复合体的热导率受基体预处理方法、金刚石薄膜和氧化铍基体的串、并联方式等影响。

胥馨等人采用直流热阴极CVD方法制备了金刚石薄膜，并在低真空环境下通过热扩散原理建立了大面积金刚石膜表面改性工艺，可满足金刚石薄膜的规模化生产要求。

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石墨

石墨导热膜

石墨属六方晶系结构，由六个棱面和两个密排基面构成，其碳原子六角网格第一层对第二层错开六角形对角线的1/2而平行叠合,第三层和第一层位置重复,成ABAB……序列。石墨主要分为天然石墨和人造石墨两大类，室温时天然石墨在(002)晶面上的热导率达2200W·m-1·K-1，高定向裂解石墨在其面向上的热导率也能达到2000W·m-1·K-1,而普通多晶石墨的室温热导率只有70~150W·m-1·K-1。

石墨散热膜在手机中的应用

王海旺等比较了以膨胀石墨和以中间相沥青为原料制备的石墨材料（高导热石墨块、石墨片和石墨膜）在微观结构及导热性能上的差异。结果表明，由中间相沥青为原料制备的石墨膜的石墨化度较高，晶粒尺寸也较大。所得制品的热导率从高到低的顺序为石墨膜、石墨块、石墨片。

李海英等以聚酰亚胺（PI)薄膜为原料经炭化和石墨化热处理后得到了人工石墨薄膜,该薄膜具有高度的石墨阵列取向和高导热性能,电阻率和热导率分别为0.79μΩ·m和1000~1600W·m-1·K-1。研究中还发现PI薄膜在热处理过程中，经过了从高分子定向膜到无定型炭，再到高度有序石墨晶列结构取向的转变过程。

邱海鹏等研究了掺杂不同组元对再结晶石墨的热导率、电阻率、微观结构和力学性能的影响。结果表明，再结晶石墨掺杂锆后，其基本物理性能及其微晶结构有较大幅度的改善；掺杂钛(质量分数15.0%)后石墨的抗弯强度和热导率分别为50.2MPa和424W·m-1·K-1;掺杂硅-钛(质量分数分别为2.0%和15.0%)后石墨的热导率提高到了494W·m-1·K-1，但当掺杂过量时材料的常温热导率、电导率和力学性能都有所下降。

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石墨烯

石墨烯是一种从石墨中剥离出来单层碳原子面材料，具有由单层碳原子以正六边形紧密排列构成的呈蜂窝状的二维平面结构，于2004年由英国科学家Novoselov和Geim首次制得?石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法?外延生长法?化学气相沉积法和氧化石墨烯化学还原法等?有研究指出单层悬浮石墨烯的室温热导率可达到3000~5300W·m-1·K-1,Nika等根据试验结果推断，石墨烯纳米带的热导率受其宽度的影响较大。

Jiang等根据石墨烯在弹道区域的声子输运特性的理论研究,发现石墨烯的热传导具有各向异性的特点?国内中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出了国内首片696.78cm2的单层石墨烯，这将大大扩展石墨烯的下游应用和需求，可以预见若将其制成热量管理材料，无疑将对手机、平板电脑等电子消费终端产品的设计和制造带来深远的影响。

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碳纳米管

碳纳米管(CNTs)是由碳原子形成的单层或多层石墨卷曲形成的低维结构材料，分为单壁碳纳米管(SWCNT)?双壁碳纳米管(DWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)。目前比较成熟的制备方法有激光法、电弧法、催化裂解法和化学气相沉积法等。

CNTs具有良好的导电性和导热性,且只能在一维方向上(轴向)传递热能?其热导率主要取决于碳纳米管的直径与长度?碳原子的排列?缺陷的数目及形态等因素?Berber等发现室温下单个碳纳米管高的热导率与声子的平均自由程有关。

Pop等报道了长2.6μm?直径为1.7nm的SWCNT在室温下的热导率为3500W·m-1·K-1?Mensah等以无限长链碳原子沿基螺旋缠绕的单壁碳纳米管为模型,运用玻尔兹曼动力学方程计算出100K下碳纳米管的热导率为37500W·m-1·K-1;并预言在80K下其热导率能达到200000W·m-1·K-1?

李元伟等研究发现SWCNT的室温热导率随其管长的增长而增大?侯泉文等通过非平衡分子动力学模拟研究了CNTs的热导率随长度的变化,发现在室温下,CNTs长度小于40nm时，其热导率与长度成线性关系，导热表现为弹道输运的特征，单位面积弹道热导为5.88×109W·m-2·K-1，声子起主要作用；随着CNTs长度的增加，导热表现为弹道－扩散输运特征，其热导率仍然随长度而增加，但增幅减小；当长度大于10μm时,导热近乎为完全扩散输运,其热导率将收敛到有限值?

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总结

碳材料具有低密度、高热导率、低热膨胀系数等特点，利用其制成热量管理材料，尤其适用于对小空间大热流密度元件进行散热，能够满足下一代电子元器件集功能化、微型化和轻薄化于一体的发展要求，对现代工业、特种和高技术发展具有重要的战略意义，我国应该加大对高导热碳材料研发的投资力度。

国内对于高导热碳材料的研究已有一定的理论积累，有的仍处于实验室研究或中试阶段，有的则已成功推向了市场，如人工石墨膜因导热率高、热阻低、超薄且抗折性能好、能附在任何弯曲的不规则表面等优点，目前已有较为成熟的产品面市，主要用于电子消费类智能终端和LED基板等的散热，是未来电子产品散热的主流方向。

其它高导热碳材料在研发过程中亟待解决的重点和难点问题主要有：

制备金刚石薄膜材料时如何实现膜材料的可控生长；

制备石墨烯产品时如何实现批量化生产和单品的大尺寸生产；

制备碳纳米管材料时如何获得纯净碳纳米管（即去掉其中非CNTs的杂质碳），以及如何实现其在聚合物基体中的均匀分散；

制备C/C复合材料时如何防止产品的氧化等。

当然提高产品性能、简化制备工艺、降低生产成本、实现节能降耗则是碳材料全行业需要致力追求的发展方向。