五種超高導熱材料的研發進展

五種超高導熱材料的研發進展

來源：中國鋼鐵新聞網

在大功率集成電路和高功率密度電子工業等領域,隨著電子器件及其產品向高集成度、高運算方向的發展,耗散功率隨之倍增,散熱問題日益成為制約其持續發展的關鍵因素。為此,超高導熱材料的研發至關重要。碳材料具有超高的導熱率,根據計算,石墨在平行于晶體層方向上的熱導率理論上可高達4180W·m-1·K-1,幾乎是傳統金屬材料銅、銀及鋁的10倍多,是最具發展前景的散熱材料。

一、金剛石薄膜。

天然金剛石的室溫熱導率是已知自然界材料中最高的,為2000～2100W·m-1·K-1。人工合成金剛石單晶,36℃時的熱導率可達2990W·m-1·K-1。人工合成金剛石的生產工藝須依靠高溫高壓技術,極大增加了生產成本;自從化學氣相沉積法被用來制備金剛石薄膜以來,得到的薄膜產品面積大、質量高,且成本相對較低。用直流熱陰極氣相沉積法在鉭盤上得到了透明金剛石薄膜,薄膜尺寸為直徑40～80mm,膜厚達4.2mm,熱導率達1000～1200W·m-1·K-1。

二、石墨。

室溫時天然石墨在(002)晶面上的熱導率達2200W·m-1·K-1,但普通多晶石墨的室溫熱導率只有70～150W·m-1·K-1。高定向裂解石墨在其面向上的熱導率能夠達到2000W·m-1·K-1;以聚酰亞胺薄膜為原料經炭化和石墨化熱處理后得到的人工石墨薄膜,具有高度的石墨陣列取向 和 高 導 熱 性 能, 熱導率可達1000～1600W·m-1·K-1。

三、石墨烯。

石墨烯是一種從石墨中剝離出來單層碳原子面材料,具有由單層碳原子以正六邊形緊密排列構成的呈蜂窩狀的二維平面結構。單層懸浮石墨烯的室溫熱導率可達到3000～5300W·m-1·K-1。國內已成功制備出了17419.5px2的單層石墨烯,這將大大擴展石墨烯的應用前景,將對手機、平板電腦等電子消費終端產品的設計和制造帶來深遠的影響。

四、碳納米管及其復合材料。

碳納米管是由碳原子形成的單層或多層石墨卷曲形成的低維結構材料。碳納米管具有良好的導電性和導熱性,且只能在一維方向上(軸向)傳遞熱能。據報道,長 2.6μm、直徑為 1.7nm 的碳納米管在室溫下的熱導率達 3500W·m-1·K-1。將碳納米管加入聚合物中可獲得低填充量高導熱聚合物基復合材料。

五、碳纖維及C/C復合材料。

碳纖維是由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣體中經碳化及高溫石墨化處理而得到。當石墨晶格在纖維的軸向上獲得高度擇優定向后,會具有超高的熱導率。以高導熱碳纖維為原料制得的C/C復合材料,具有高溫強度高、熱膨脹系數小、自潤滑性良好和熱導率較高等一系列優異性能。