中国粉体网讯 在当前电子和光电子工业等领域，由于电子器件及其产品向高集成度、高运算方向的发展，耗散功率随之倍增，散热问题逐渐成为制约电子产业持续发展的关键因素，寻找导热性能优异的热量管理材料对于下一代集成电路和三维电子产品设计而言是至关重要的。
传统的陶瓷材料（如氮化硼、氮化铝）和金属材料（如铜、铝）的热导率最高也不过数百W/(m·K)，相比之下，金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等碳材料的热导率更为惊人，以石墨为例，它在平行于晶体层方向上的热导率理论上可高达4180W/mk，几乎是传统金属材料铜、银及铝的10倍多。另外，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。
总之，碳材料有着异于常规材料的导/散热“天赋”，这使其成为了近年来最具发展前景的散热材料。
01.来看！不同碳材料的导热天赋
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，结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有很优秀的导热性。
研究表明，单层石墨烯的室温热导率可达3000~5300 W/(m·K)。第一次从鳞片石墨中剥离出单层石墨烯的科学家Andrew Geim说过：“石墨烯导电导热率高，化学结构又十分稳定，是一种很理想用于导热散热的新型材料”。
碳纳米管
1991 年碳纳米管发现以来，一直是一个焦点，吸引了很多科学工作者在碳纳米管的导热性方面进行研究。碳纳米管由单层或多层石墨片卷曲而成，分为单壁、双壁和多壁三种类型。
特殊的结构赋予了碳纳米管极高的导热性能，有研究者测算出室温下单壁碳纳米管 的热导率为3980 W/(m·K)，双壁碳纳米管的热导率为3580 W/(m·K)，多壁碳纳米管的热导率为2860 W/(m·K)。
金刚石
金刚石微粉，来源：元素六
金刚石的晶体结构为碳原子四面体紧密排列，所有电子均参与成键，因此其室温热导率高达2000~2100 W/(m·K)，是自然界中导热性能最佳的材料之一。这一特性使其在高端散热领域具有不可替代性。
碳纤维
碳纤维通过高温碳化处理形成乱层石墨结构，若其轴向石墨晶格高度定向排列，则可实现超高导热性能。例如，中间相沥青基碳纤维的热导率达1100 W/(m·K)，气相生长碳纤维的热导率可达1950 W/(m·K)。
石墨
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。天然石墨沿（002）晶面的热导率为2200 W/(m·K)，高定向热解石墨的面内热导率亦可达到2000 W/(m·K)。
以上几种碳材料均有极高的导热性能，因此在高散热要求领域备受关注，接下来我们看几种经典的碳基导/散热材料。
02.石墨烯热界面材料
热界面材料填充于固体表面缺陷之间的界面间隙，有效地排除空气，使得产热元器件与散热器件之间的接触更加密切，大大降低了界面接触热阻，建立起了高效的热传递通道，从而使得散热器件的工作效率得到了最大化的提升。
不同接触形式下发热元件与散热器间接触与热流传输示意图
热界面材料一般是以高分子材料为基体、以具有绝缘、导热性能的粉体为填料复合而成。通常情况下，高分子材料的固有热导率都比较低（约为0.2W/(m·K)），因此，热界面材料的导热性能往往由填料说了算。
由于石墨烯具有极高的导热系数，以其为填料制备的热界面材料备受关注。
在年初工信部发布的2025年未来产业创新任务揭榜挂帅任务榜单中涉及到了高导热石墨烯热界面材料，提出到2026年，实现高导热低热阻的石墨烯热界面材料规模生产，垂直导热系数大于300W/m·K，热阻小于0.05K·cm2/W，压缩残余应力小于30PSI（50%压缩量），回弹率大于50%，系列产品在不少于10000个高功率器件上示范应用。可见，此类材料有望在高功率电子器件中实现广泛应用。
03.金刚石/铜热沉材料
热沉是热管理的重要组成部分，主要将芯片产生的热量快速导出，以确保核心部件正常工作，热沉材料除了要求在平行于芯片平面方向具有与芯片匹配的低热膨胀系数，更需要在垂直于芯片平面方向具有高的热导率。此外，由于装备服役过程中还面临大冲击、高频振动等苛刻服役环境，热沉材料还需要具有足够的强度。
金刚石热沉片 来源：河南飞孟金刚石
第一代热沉材料有铜、铝等，现有的第二代热沉材料如W/Cu、Mo/Cu、第三代热沉材料如SiC/Al复合材料，热导率普遍在200 W/(m·K)左右，已越来越难以满足高功率器件的散热需求。例如高功率雷达等微波组件现在采用热导率略低的SiC/Al复合材料构件，功率密度难以得到有效提升，产品性能指标提高困难，同时给产品设计开发带来极大的难度。
由于金刚石具有极高的导热性能，铜的导热、导电、延展性也都较好，热导率达到了401W/(m·K)，远高于铝、钼等金属，并且价格低廉，因此，综合金刚石和铜的导热性能，以铜为基体、金刚石为增强体的金刚石/铜复合材料被很多人认为是未来主流的热沉材料。
04.石墨烯散热膜、石墨散热膜
石墨散热膜一般也称“石墨片”“石墨膜”，化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。可以通过化学方法高温高压下得到石墨化薄膜，因为碳元素是非金属元素，但是却有金属材料的导电，导热性能，还具有像有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面等等一些良好的工艺性能，石墨散热片平面内具有150-1500 W/（m·k）范围内的超高导热性能。
石墨烯散热膜是以石墨烯为原料，采用多层石墨烯堆叠而成的高定向散热膜，与其他同类散热材料相比，具有机械性能好，导热系数高，质量轻，材料薄，柔韧性好等特点，能够为电子尤其是手机/笔记本行业、航空航天、医疗行业提供高品质、经济化的散热解决方案。
当前，因手机散热不好导致的体验不好并不鲜见，因此散热问题一直是令手机厂商头疼不已的大事，甚至有人认为散热已成为了手机等电子设备发展面临的头等大事。
作为高效的散热材料，石墨烯散热膜、石墨散热膜的出现令手机厂商欣喜不已。自2018年首次被华为应用于Mate20X手机后，石墨烯导热膜逐渐被包括荣耀、努比亚、小米、OnePlus、OPPO、ROG、联想等众多手机厂商使用。在很多时候，“石墨烯散热膜”“石墨散热膜”已经成为很多手机品牌新机发布时着重宣传的大卖点，由此可见它有多香。
小结
碳材料凭借其独特的晶体结构与物理化学性质，在导热散热领域展现出不可替代的优势。随着制备技术的进步与应用场景的拓展，石墨烯、金刚石等碳基材料有望推动电子、航空航天等行业的散热方案迈向更高水平。
参考来源：
[1]刘华斌.高导热碳材料研究进展
[2]郭文满等.聚合物 /碳基导热复合材料研究进展
[3]刘振宇等.热沉用高导热碳/金属复合材料研究进展
[4]中国粉体网
（中国粉体网/山川）
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