在現代科技的快速發展中，無論是在電子設備、汽車工業、半導體制造還是航空航天領域，有效的熱量管理都是確保系統高效運行和延長使用壽命的核心技術。石墨材料作為常見的碳基導熱材料，由連續的碳原子平面構成，同一平面上的碳原子之間形成了強力的共價鍵，并呈層狀排列，受熱時，熱量通過碳原子晶格結構的振動，可迅速且均勻分布在XY軸二維平面，實現高導熱，滿足上述領域熱量管理的需求。不過，作為一種典型的層狀結構材料，石墨根據材料內部結構和導熱機制的不同，可制成各向同性石墨和各向異性石墨。由于它們的導熱特性不同，因此在導熱領域的應用上也有明顯的區別。

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一、石墨的導熱機制

石墨是由單一碳元素組成的物質，晶體結構屬六方晶系，呈六邊形層狀結構。層面上碳原子以sp²雜化軌道形成的σ鍵和Pz軌道形成的離域π鍵相結合，形成牢固的六角形網格狀平面，由于碳-碳原子間具有極強的鍵能（345KJ/mol），熱量能快速在平面內傳播，而碳原子平面之間則以較弱的范德華力結合，鍵能為16.7KJ/mol），因此石墨微粒本身的導熱系數具有各向異性，在沿層方向（即面內）的導熱系數可高達1500 W/mK，而在層間的熱導率僅為5-20W/mK。

理想的石墨晶格結構

二、各向同性石墨

1.特點

從微觀角度來看，各向同性石墨材料的內部成分和結構是均勻分布的，石墨微晶不存在特定的方向性或優先取向，因此各向同性石墨在各個方向上具有較為一致的機械性能、電氣性能和導熱性能等。

導熱性能的各向同性使得各向同性石墨材料在各個方向上都能以相同的效率進行熱傳導，能夠在材料內實現均勻的熱量分布，目前各向同性的導熱性能通常在150-300 W/m·K之間。而在機械性能上，由于無論從哪個方向施加力，各向同性石墨都能以相同的方式響應，這使得應力可以在整個材料中均勻分布，避免了局部應力集中的問題，有助于防止裂紋的產生和擴展，從而提高材料的抗疲勞性能和耐久性。特別是在動態載荷或循環載荷作用下，這種特性能夠有效延長材料的使用壽命。

2.制備工藝

各向同性石墨的典型代表為等靜壓石墨，它通常采用各向同性焦、石油焦、瀝青焦以及二次焦四種作為原料，并與粘結劑等添加劑等混合后放入柔性模具中，通過以高壓液體或氣體作為介質施加等靜壓力（通常為100-300 MPa），使得粉末顆粒在各個方向上均勻壓縮，形成高致密度的坯體。這種等靜壓成型的方式由于通過液體或氣體壓強均勻不變施壓，能夠避免傳統壓制方法中可能出現的擇優取向問題，使晶粒取向隨機分布，從而獲得各向同性的微觀結構，產品具有導電性和導熱性良好、坯料組織結構均勻、密度高、強度高、耐熱性能好、加工性能好等優點

等靜壓成型示意圖（左為濕袋法，右為干袋法）

3.應用

憑借在各個方向上的一致的導熱性能、優異的機械性能和長使用壽命，各向同性石墨被廣泛應用于制作對于傳熱均勻性、使用壽命要求較高的各類熱場傳熱部件，例如在半導體制造領域，以高密度各向同性石墨為基體材料的SiC涂層石墨，可用于硅晶制造用加熱器，硅單晶拉上用坩堝、加熱體、盤子，硅晶片表面成層用架子，集成電路封裝模具，化合物半導體用加熱體、坩堝等，在這些產品中由于石墨各向同性好，受熱、加熱都較均勻，因此不僅提高產品質量，而且還可延長設備或器具的壽命。

（圖片來源：成都炭素有限責任公司）

三、各向異性石墨

1.特點

石墨晶體結構內部碳原子層間與層內的結合方式不同，使得熱量在沿石墨片層方向（面內）傳導時遠比垂直于這些層的方向（層間）更為有效。各向異性石墨就是讓這些石墨微粒呈高定向排列，并搭接形成高度有序的導熱路徑，以最大限度利用其面內熱導率。不過這種高定向排列方式使得各向異性石墨在不同方向上的機械強度也有所不同，可能會影響材料在承受應力時的表現，尤其是在垂直于層的方向上，各向異性石墨的抗拉強度相對較低。

2.制備及應用

各向異性石墨產品主要有柔性石墨膜、高定向熱解石墨等。

柔性石墨膜

柔性石墨膜具有高達1500W/mK的熱導率，加之具有一定的柔韌性，作為電子器件/熱沉間的界面導熱材料，可較好地貼合于兩者縫隙中，從而迅速將這些熱量從發熱源傳導出去，幫助保持設備內部溫度穩定，避免過熱影響性能或損壞元件。目前柔性石墨膜主要有兩種生產路線：

①膨脹石墨壓延法

該方法主要以天然鱗片石墨為原料，通過酸化處理進行插層化學反應，再經水洗、干燥和高溫膨脹獲得高倍膨化的石墨蠕蟲，最后經壓延、壓制工藝使得材料微晶片層之間相互擠壓堆疊而制得。

膨脹石墨電子顯微鏡照片

目前，采用壓延機可以批量制備高導熱柔性石墨薄板，具有無需高溫石墨化處理、制備工藝相對簡單、制備成本較低的優勢。不過，由于經過化學氧化后的膨脹石墨的石墨結晶程度和微晶取向下降，且受工藝限制，產品的厚度不能做很薄，導致制成的柔性石墨材料導熱性能下降，其室溫面向熱導率根據板材厚度不同在200～600 W/mK范圍之間；同時，材料微晶片層之間僅在外力作用下相互擠壓堆疊，其機械強度主要來自片層與片層之間的內摩擦力和剪切力，因此拉伸強度較低。

②聚酰亞胺（PI）類薄膜熱處理法

該方法主要是由高定向有機高分子聚酰亞胺薄膜在惰性氣氛下加壓炭化、經2800-3200℃的石墨化處理，再延壓至一定薄度制得。

Nihon Carbon公司的卷狀柔性石墨片(a)和GrafTech公司的柔性石墨生產線(b)

相比膨脹石墨壓延法，PI類薄膜熱處理法制備的導熱膜材料在機械拉伸強度、結構完整性、晶型結構缺陷和碳原子有序程度等方面表現較為出色，導熱率系數在1400-2000W/mK，此外，在厚度方面，這種工藝路線可以制取散熱膜可以薄至0.01mm（10μm）的，在手機輕薄化散熱設計上有著不錯的表現。不過因為該技術路線中需要以高質量的聚酰亞胺薄膜為原材料，而其研發、生產具有較高的技術壁壘，目前主要由美國杜邦、日本宇部興產、日本鐘淵化學和韓國SKPI等廠商壟斷，占據全球80%以上的市場份額，價格普遍偏高（約為65萬元/噸）。

三、高定向熱解石墨

高定向熱解石墨是指晶粒沿石墨層片方向高度定向的類似單晶石墨的多晶石墨，通常可用于制備具有極高的導電性和導熱性能的石墨烯材料，在電子器件、光學器件和傳感器等領域有著廣泛的應用，也可由于制備高純度的碳纖維材料，廣泛應用于航空、航天、汽車等領域。

高定向熱解石墨通常是高純碳氫氣體在一定的爐壓和高溫下，在基體上經化學氣相沉積而制成的。一般來說，其結構和性能與熱解溫度有直接關系，在1400 ~2200℃ 熱解或更高溫度下處理則可得到熱解石墨，而在 800~1000℃溫度下熱解的產物則為熱解炭。

來源：吉倉納米

近年來，日本松下公司研發的熱解石墨薄片的面內熱導率根據其體積密度( 0. 85～2. 13 g·cm－3 ) 和厚度(0. 100～0. 010mm) 在700～1950 W/mK范圍可調。但是，石墨薄片的熱導率受體積密度、厚度以及熱解工藝的影響較大，厚度越大，體積密度越低，其熱導率越低。同時，石墨薄片較難加工成具有較高密度和晶體取向的大尺寸塊體材料，再加上其力學性能不高，生產周期較長、生產成本較高，因而在某些領域的應用受到一定限制。

參考來源：

崔正威,袁觀明,董志軍,等.高定向導熱炭材料的研究進展[J].中國材料進展.

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