本文同步自胶我选APP应用数据库 诚挚感谢
D先生 王先生 T先生
热设计网 陈继良先生
中国赛宝实验室 张莹洁女士
给予本文的专业意见
“碳基”热界面材料这两年的声势越来越猛，大有抢占传统TIM产品高端用户的苗头，甚至那些曾经靠着传统TIM赚得盆满钵满的国际大厂也开始纷纷在这个领域布局。
比如，导热一哥陶氏就选择了“碳纳米管”路线，他们在24年10月与该领域的初创企业Carbice合作，推出了SW-90和SA-90两款高性能碳纳米管导热垫片；
（carbice）
而另一家导热巨头汉高则是将宝押在了“石墨烯”上。
他们于25年7月和先驱技术厂商Smart High Tech建立了战略伙伴关系，据说目前已经在为头部GPU客户合作开发石墨烯类的导热垫片产品了。
（SHT）
那么问题来了，同为被大厂看中的“碳基”热界面材料，碳纳米管和石墨烯导热垫到底有何差异？特别是在在核心性能上的表现二者究竟孰优孰劣呢？
带着这个疑问，我们经过一系列搜索查询，然后在专业网站igor’sLAB的测评中找到了答案。
这家网站曾经在24年7月对Smart High Tech开发的一款90W/m·K石墨烯导热垫片（暴力熊贴牌）进行过一次比较全面的评估；
然后又在今年6月份对一款Carbice出品的12W/m·K碳纳米管导热垫片（NOCTUA贴牌）展开了非常专业的测试。
虽然两个测评时隔两年，测试的项目也不尽相同，但是大家最为关注的“导热率”、“热阻”和“可靠性”三个最核心的数据却是非常完整。
于是在对这三个层面的数据进行了一番梳理之后，我们终于对这两款当红的“碳基”导热垫片建立起了一个比较量化的认知。
01—导热率：“石墨烯”胜！
首先，在“导热率”这个核心指标上石墨烯垫片有着断崖式的领先。
虽然碳纳米管和石墨烯都有着5000+W/m·K的极高导热率，但是用它们做出来的垫片的导热率却差了将近一个数量级：
石墨烯导热垫高达90W/m·K，而碳纳米管垫片却只有12W/m·K！
(igor’s lab)
之所以有如此悬殊的差距，主要源于二者完全不同的制造逻辑。
石墨烯导热垫的加工比较像半导体后段的封装环节——最有技术含量的核心物料“高取向石墨烯膜”在上游材料供应商那里已经做好了；
导热垫片厂商采购回来之后，只需将它们用PDMS 硅胶一层层叠合粘接起来，然后再将其横切成薄薄的“垫片”就可以出货了。
这套工艺无疑给了导热垫厂商很大的发挥空间，因为石墨烯膜是现成的，如果想提高垫片的纵向导热率，只需想办法将石墨烯膜叠得更密集就行了。
于是我们就在很多论文的电镜照片里看到，当前主流的石墨烯导热垫片产品，其内部真的就是几乎完全由石墨烯膜构成！
而在传统导热垫里作为“基材”出现的PDMS硅橡胶，到了此处已经被石墨烯膜“挤兑”得快要看不见了……
(High-performance thermal interface materials consisting of vertically aligned graphene film and polymer_Ya-Fei Zhang)
这个情况在igor‘sLAB的测评中也得到了印证。
从他们做过的能谱分析中可以发现，在垫片被扫描的区域内，表征石墨烯膜的碳元素占比高达85.9%。
虽然这个结果无法代表整个垫片的情况，但至少在被测试的这个部位，我们可以认为由石墨烯构建出的导热通路是相当密集了！
（https://www.igorslab.de/en/thermal-grizzly-cryosheet-in-lab-and-field-test-durable-all-purpose-weapon-with-minor-limitations/3/）
反观碳纳米管导热垫的制造逻辑就完全不一样了。
它是先在铝箔基底的正反两面沉积催化剂颗粒，然后再将其送入CVD反应腔体培养；腔体内部的碳元素会被催化剂吸附并不断沉积，然后就像头发一样在催化剂位点上以碳纳米管的形态“生长”出来了。
当碳纳米管的阵列长到20～65微米的高度之后，一片高度取向排布的碳纳米管导热垫片才算做出来。
（Growth of carbon nanotube forests on flexible metal substrates: Advances, challenges, and applications_Kathleen Moyer-Vanderburgh）
这种制造方式虽然看起来更有技术含量，但实际上却存在着一个很大的bug，那就是长出来的碳纳米管往往非常稀疏。
有论文记载，此类碳纳米管的体积百分比正常情况下只有3～5%，如果做到20%都已经是超级高的密度了！
所以虽然电镜照片里的碳纳米管阵列看起来密不透风，但实际上在单位面积内搭建起来的导热通路却要比石墨烯导热垫少了太多！
这也是为什么虽然大家同为“碳基”，但碳纳米管导热垫却只有区区12W/m·K的很重要的一个原因了。
（carbice、noctua）
那么在导热率这个层面，我们可以判定“石墨烯”大胜“碳纳米管”。不过这个优势到了接触热阻的测评环节就发生了变化……
02—接触热阻：互有长短
首先来看碳纳米管导热垫，让我们一眼就注意到的是它呈现出的一种极其明显的“压力不敏感”属性。
在下面的图表中可以看到，虽然装配压力从15 psi大幅攀升到了80 psi，但是垫片的压缩率与接触热阻却始终保持了一个非常平缓的走势。
（https://www.igorslab.de/en/noctua-nt-cp1-carbon-nanotube-thermal-pad-test-durable-high-end-consumer/3/）
之所以出现这种情况，主要源于碳纳米管导热垫非常特殊的三明治结构：
首先，长在导热垫正反面的碳纳米管本身非常纤细柔软，只需极小的初始压力就能让它们弯曲贴服，进而有效填充接触面上的微观凹坑与缝隙，让接触热阻在较低压力下就接近最佳状态。
之后随着压力持续走高，夹在中间的铝箔基底就要开始分担载荷了。但是由于金属刚性较强、难以进一步压缩因此后续增加的压力无法再显著改变垫片的厚度和微观接触形态，压缩率和接触热阻自然就进入了缓慢变化的“平台期”。
但是在这一点上石墨烯导热垫就形成了非常鲜明的对比，它对装配压力的变化可谓极其敏感！
从下面的图表可以看到，随着装配压力从15psi提升到200psi，垫片的压缩率也跟着从5%大幅扩展到50%，与此同时接触热阻也随之呈现出近乎同步的大幅下降。
（https://www.igorslab.de/en/thermal-grizzly-cryosheet-in-lab-and-field-test-durable-all-purpose-weapon-with-minor-limitations/4/）
这主要是因为，构成导热垫的石墨烯膜本身具有微观刚性，虽然膜层内部的微观褶皱与空隙赋予了它一定的可压缩性，但在较低压力下，这种形变并不足以顺应芯片和散热器表面的粗糙度。
这就导致此时的界面间残留大量空隙与空气，由此产生的接触热阻肯定也降不下来了。
要想解决这个问题，唯有施加更大的压力，迫使石墨烯片层沿着微观表面的起伏产生位移与形变，等到界面上凹陷被逐步填满，接触热阻自然也就大幅下降了。
(墨睿科技)
这种变化在我们将这两者的“压力-热阻”数据都放进同一张图表之后就变得愈发清晰了：
在15psi这种较低的装配压力下，碳纳米管凭借微观上极佳的柔顺性，轻易就帮助垫片取得了更低的接触热阻，同时也让总热阻的表现优于石墨烯导热垫；
然而，一旦装配压力提升至30psi反转就出现了：石墨烯导热垫的接触热阻开始快速下降，不仅在数值上降到了碳纳米管垫以下，而且二者的差距还随着压力的提升越拉越大！
（https://www.igorslab.de/en/thermal-grizzly-cryosheet-in-lab-and-field-test-durable-all-purpose-weapon-with-minor-limitations/4/#tab:#tab-pane-id-rth-100）
也就是说，要想比较这两类“碳基”导热垫的热阻表现，必须结合装配压力辩证分析：
如果应用场景要求低装配压力（如薄型笔记本、易碎芯片或轻量化扣具），显然碳纳米管导热垫的热阻表现更优；
但如果是在高装配压力的场景下（如高压力的桌面级 CPU/GPU 散热器扣具），大幅被压实的石墨烯导热垫则能带来更极致的综合热阻与散热性能。
不过需要指出的是，以上结论的前提是不考虑可靠性，因为一旦将压力引发的风险也考虑进来，情况就又出现了反转……
03—可靠性：“碳纳米管”胜！
篇幅所限，关于石墨烯导热垫片和碳纳米管导热垫片在可靠性方面的表现我们将在下期为您呈现，敬请关注！
本文来自胶我选，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
