在現(xiàn)代科技的快速發(fā)展中，無(wú)論是在電子設(shè)備、汽車(chē)工業(yè)、半導(dǎo)體制造還是航空航天領(lǐng)域，有效的熱量管理都是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命的核心技術(shù)。石墨材料作為常見(jiàn)的碳基導(dǎo)熱材料，由連續(xù)的碳原子平面構(gòu)成，同一平面上的碳原子之間形成了強(qiáng)力的共價(jià)鍵，并呈層狀排列，受熱時(shí)，熱量通過(guò)碳原子晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，可迅速且均勻分布在XY軸二維平面，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱，滿(mǎn)足上述領(lǐng)域熱量管理的需求。不過(guò)，作為一種典型的層狀結(jié)構(gòu)材料，石墨根據(jù)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱機(jī)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(dǎo)熱特性不同，因此在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用上也有明顯的區(qū)別。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

一、石墨的導(dǎo)熱機(jī)制

石墨是由單一碳元素組成的物質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，呈六邊形層狀結(jié)構(gòu)。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(jié)合，形成牢固的六角形網(wǎng)格狀平面，由于碳-碳原子間具有極強(qiáng)的鍵能（345KJ/mol），熱量能快速在平面內(nèi)傳播，而碳原子平面之間則以較弱的范德華力結(jié)合，鍵能為16.7KJ/mol），因此石墨微粒本身的導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性，在沿層方向（即面內(nèi)）的導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)1500 W/mK，而在層間的熱導(dǎo)率僅為5-20W/mK。

理想的石墨晶格結(jié)構(gòu)

二、各向同性石墨

1.特點(diǎn)

從微觀(guān)角度來(lái)看，各向同性石墨材料的內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)是均勻分布的，石墨微晶不存在特定的方向性或優(yōu)先取向，因此各向同性石墨在各個(gè)方向上具有較為一致的機(jī)械性能、電氣性能和導(dǎo)熱性能等。

導(dǎo)熱性能的各向同性使得各向同性石墨材料在各個(gè)方向上都能以相同的效率進(jìn)行熱傳導(dǎo)，能夠在材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的熱量分布，目前各向同性的導(dǎo)熱性能通常在150-300 W/m·K之間。而在機(jī)械性能上，由于無(wú)論從哪個(gè)方向施加力，各向同性石墨都能以相同的方式響應(yīng)，這使得應(yīng)力可以在整個(gè)材料中均勻分布，避免了局部應(yīng)力集中的問(wèn)題，有助于防止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高材料的抗疲勞性能和耐久性。特別是在動(dòng)態(tài)載荷或循環(huán)載荷作用下，這種特性能夠有效延長(zhǎng)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(jié)劑等添加劑等混合后放入柔性模具中，通過(guò)以高壓液體或氣體作為介質(zhì)施加等靜壓力（通常為100-300 MPa），使得粉末顆粒在各個(gè)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(guò)液體或氣體壓強(qiáng)均勻不變施壓，能夠避免傳統(tǒng)壓制方法中可能出現(xiàn)的擇優(yōu)取向問(wèn)題，使晶粒取向隨機(jī)分布，從而獲得各向同性的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性良好、坯料組織結(jié)構(gòu)均勻、密度高、強(qiáng)度高、耐熱性能好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)

等靜壓成型示意圖（左為濕袋法，右為干袋法）

3.應(yīng)用

憑借在各個(gè)方向上的一致的導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的機(jī)械性能和長(zhǎng)使用壽命，各向同性石墨被廣泛應(yīng)用于制作對(duì)于傳熱均勻性、使用壽命要求較高的各類(lèi)熱場(chǎng)傳熱部件，例如在半導(dǎo)體制造領(lǐng)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(pán)子，硅晶片表面成層用架子，集成電路封裝模具，化合物半導(dǎo)體用加熱體、坩堝等，在這些產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，而且還可延長(zhǎng)設(shè)備或器具的壽命。

（圖片來(lái)源：成都炭素有限責(zé)任公司）

三、各向異性石墨

1.特點(diǎn)

石墨晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部碳原子層間與層內(nèi)的結(jié)合方式不同，使得熱量在沿石墨片層方向（面內(nèi)）傳導(dǎo)時(shí)遠(yuǎn)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(dǎo)熱路徑，以最大限度利用其面內(nèi)熱導(dǎo)率。不過(guò)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(jī)械強(qiáng)度也有所不同，可能會(huì)影響材料在承受應(yīng)力時(shí)的表現(xiàn)，尤其是在垂直于層的方向上，各向異性石墨的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低。

2.制備及應(yīng)用

各向異性石墨產(chǎn)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(dá)1500W/mK的熱導(dǎo)率，加之具有一定的柔韌性，作為電子器件/熱沉間的界面導(dǎo)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(fā)熱源傳導(dǎo)出去，幫助保持設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定，避免過(guò)熱影響性能或損壞元件。目前柔性石墨膜主要有兩種生產(chǎn)路線(xiàn)：

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(guò)酸化處理進(jìn)行插層化學(xué)反應(yīng)，再經(jīng)水洗、干燥和高溫膨脹獲得高倍膨化的石墨蠕蟲(chóng)，最后經(jīng)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(jī)可以批量制備高導(dǎo)熱柔性石墨薄板，具有無(wú)需高溫石墨化處理、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、制備成本較低的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，由于經(jīng)過(guò)化學(xué)氧化后的膨脹石墨的石墨結(jié)晶程度和微晶取向下降，且受工藝限制，產(chǎn)品的厚度不能做很薄，導(dǎo)致制成的柔性石墨材料導(dǎo)熱性能下降，其室溫面向熱導(dǎo)率根據(jù)板材厚度不同在200～600 W/mK范圍之間；同時(shí)，材料微晶片層之間僅在外力作用下相互擠壓堆疊，其機(jī)械強(qiáng)度主要來(lái)自片層與片層之間的內(nèi)摩擦力和剪切力，因此拉伸強(qiáng)度較低。

②聚酰亞胺（PI）類(lèi)薄膜熱處理法

該方法主要是由高定向有機(jī)高分子聚酰亞胺薄膜在惰性氣氛下加壓炭化、經(jīng)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(chǎn)線(xiàn)(b)

相比膨脹石墨壓延法，PI類(lèi)薄膜熱處理法制備的導(dǎo)熱膜材料在機(jī)械拉伸強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整性、晶型結(jié)構(gòu)缺陷和碳原子有序程度等方面表現(xiàn)較為出色，導(dǎo)熱率系數(shù)在1400-2000W/mK，此外，在厚度方面，這種工藝路線(xiàn)可以制取散熱膜可以薄至0.01mm（10μm）的，在手機(jī)輕薄化散熱設(shè)計(jì)上有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。不過(guò)因?yàn)樵摷夹g(shù)路線(xiàn)中需要以高質(zhì)量的聚酰亞胺薄膜為原材料，而其研發(fā)、生產(chǎn)具有較高的技術(shù)壁壘，目前主要由美國(guó)杜邦、日本宇部興產(chǎn)、日本鐘淵化學(xué)和韓國(guó)SKPI等廠(chǎng)商壟斷，占據(jù)全球80%以上的市場(chǎng)份額，價(jià)格普遍偏高（約為65萬(wàn)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(lèi)似單晶石墨的多晶石墨，通常可用于制備具有極高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能的石墨烯材料，在電子器件、光學(xué)器件和傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，也可由于制備高純度的碳纖維材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。

高定向熱解石墨通常是高純碳?xì)錃怏w在一定的爐壓和高溫下，在基體上經(jīng)化學(xué)氣相沉積而制成的。一般來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)和性能與熱解溫度有直接關(guān)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(chǎn)物則為熱解炭。

來(lái)源：吉倉(cāng)納米

近年來(lái)，日本松下公司研發(fā)的熱解石墨薄片的面內(nèi)熱導(dǎo)率根據(jù)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(diào)。但是，石墨薄片的熱導(dǎo)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(dǎo)率越低。同時(shí)，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(xué)性能不高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、生產(chǎn)成本較高，因而在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。

參考來(lái)源：

崔正威,袁觀(guān)明,董志軍,等.高定向?qū)崽坎牧系难芯窟M(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展.

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