科普问答 | 高导热碳材料了解一下

以前的金属（铝、铜）散热件由于存在密度大、热膨胀系数较高、材料不纯等问题，很难满足散热的需要。随着科学技术的快速发展，航空航天、卫星通讯、高速计算机等领域对于散热问题越来越重视，对热管理材料提出了更高的要求。

碳材料因具有低密度、高强度、高导热系数、耐化学腐蚀等特点，有望取代以前的金属材料成为新一代的高导热材料。

碳材料的热传导主要是通过晶格原子的热振动来实现的，碳纤维种类、基体种类、密度、比热容、石墨化度、预制体结构、纤维体积分数、热处理温度/石墨化温度等是影响碳材料热导率的主要因素。

目前，高导热碳材料的分类主要有以下三种：

1、金刚石材料

目前已知自然界材料中热导率最高的是天然金刚石，其室温热导率约为2000至2100W/（m∙K）。同时，金刚石还是良好的绝缘体, 是理想的基板散热材料。目前，常用化学气相沉积法制备的金刚石炭膜，具有质量高、成本低等优点。

2、石墨材料

石墨由六个棱面和两个密排基面组合而成，属于六方晶系构造，主要分为天然石墨和人造石墨两大类。普通的石墨室温热导率才只有70至150W/（m∙K），而室温时天然石墨在002晶面上的热导率能达到2200W/（m∙K），高定向裂解石墨在其面上的热导率也达到了2000W/（m∙K）。

3、石墨烯材料

石墨烯材料由单层碳原子以正六边形紧密排列构成的二维平面结构组成，呈蜂窝状，是从石墨中剥离出来的单层碳原子面材料。微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法以及氧化石墨烯化学还原法等是石墨烯的主要制备方法，单层悬浮石墨烯的室温热导率可达到3000至5300W/（m∙K）。

碳原子有着特殊的排列方式，常用的碳材料存在巨大的结构和导热性能各向异性，即在石墨晶面方向具有高的导热系数，而在晶面之间导热系数很小，材料制备过程中的择优取向限制了其在厚度方向上的导热能力。

不过，碳材料的优势还是不容忽视的。利用其制衡的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，能满足下一代电子元器件的发展要求，对现代工业、国防和高技术发展有着重要意义。

本文由石家庄藁城区兴安镇中学高级教师崔会欣进行科学性把关。