碳材料具有超高的導(dǎo)熱率，根據(jù)分子動力學(xué)模擬計算，石墨在平行于晶體層方向上的熱導(dǎo)率理論上可高達(dá)4180W·m-1·K-1，幾乎是傳統(tǒng)金屬材料銅、銀及鋁的１０倍多；碳材料還具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、良好的高溫力學(xué)性能等優(yōu)異性能，是近年來最具發(fā)展前景的散熱材料。

目前有關(guān)高導(dǎo)熱碳材料成為一個研究熱點(diǎn)，也取得很多成果，作者結(jié)合碳材料的導(dǎo)熱機(jī)理，重點(diǎn)介紹金剛石、石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維及其復(fù)合材料等幾種高導(dǎo)熱碳材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

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金鋼石薄膜

金剛石的晶格結(jié)構(gòu)為碳正四面體，碳原子的所有電子都已成鍵，天然金剛石的室溫?zé)釋?dǎo)率是已知自然界材料中最高的，為2000~2100W·m-1·K-1。Nakamura等以富碳十二的甲烷為原料裂解得到富碳十二碳粉，再以此碳粉在高溫、高壓下合成了碳十二金剛石單晶，測得其在36℃時的熱導(dǎo)率為2990W·m-1·K-1。

人工合成金剛石的方法最早有爆炸法、靜壓法，通過石墨轉(zhuǎn)化也可人工合成金剛石，但二者之間存在著巨大的能量勢壘，生產(chǎn)工藝須依靠高溫高壓技術(shù)，極大增加了生產(chǎn)成本；自從化學(xué)氣相沉積法(CVD)被用來制備金剛石薄膜以來,得到的薄膜產(chǎn)品面積大?質(zhì)量高,且成本相對較低?金曾孫等用直流熱陰極CVD法在鉭盤上得到了透明金剛石薄膜,薄膜尺寸為40~80mm,膜厚達(dá)4.2mm,熱導(dǎo)率為1000~1200W·m-1·K-1。

瞿全炎等以甲烷(CH4)和氫氣(H2)為原料,采用CVD法制備金剛石薄膜,討論了主要沉積參數(shù)對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率的影響,發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率與甲烷氣體量及操作溫度有關(guān),在CH4的體積分?jǐn)?shù)為1.5%?操作溫度為880~920℃時,金剛石的熱導(dǎo)率最高,約為1000W·m-1·K-1；研究還發(fā)現(xiàn)金剛石的高導(dǎo)熱率與噴嘴與真空倉之間的壓力差、原材料的高純度及高致密度有關(guān)。

方梅等利用熱絲化學(xué)氣相沉積法在氧化鈹基體上沉積了金剛石薄膜，將氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率提高了12.1%~34.4%；復(fù)合體的熱導(dǎo)率受基體預(yù)處理方法、金剛石薄膜和氧化鈹基體的串、并聯(lián)方式等影響。

胥馨等人采用直流熱陰極CVD方法制備了金剛石薄膜，并在低真空環(huán)境下通過熱擴(kuò)散原理建立了大面積金剛石膜表面改性工藝，可滿足金剛石薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)要求。

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石墨

石墨導(dǎo)熱膜

石墨屬六方晶系結(jié)構(gòu)，由六個棱面和兩個密排基面構(gòu)成，其碳原子六角網(wǎng)格第一層對第二層錯開六角形對角線的1/2而平行疊合,第三層和第一層位置重復(fù),成ABAB……序列。石墨主要分為天然石墨和人造石墨兩大類，室溫時天然石墨在(002)晶面上的熱導(dǎo)率達(dá)2200W·m-1·K-1，高定向裂解石墨在其面向上的熱導(dǎo)率也能達(dá)到2000W·m-1·K-1,而普通多晶石墨的室溫?zé)釋?dǎo)率只有70~150W·m-1·K-1。

石墨散熱膜在手機(jī)中的應(yīng)用

王海旺等比較了以膨脹石墨和以中間相瀝青為原料制備的石墨材料（高導(dǎo)熱石墨塊、石墨片和石墨膜）在微觀結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱性能上的差異。結(jié)果表明，由中間相瀝青為原料制備的石墨膜的石墨化度較高，晶粒尺寸也較大。所得制品的熱導(dǎo)率從高到低的順序為石墨膜、石墨塊、石墨片。

李海英等以聚酰亞胺（PI)薄膜為原料經(jīng)炭化和石墨化熱處理后得到了人工石墨薄膜,該薄膜具有高度的石墨陣列取向和高導(dǎo)熱性能,電阻率和熱導(dǎo)率分別為0.79μΩ·m和1000~1600W·m-1·K-1。研究中還發(fā)現(xiàn)PI薄膜在熱處理過程中，經(jīng)過了從高分子定向膜到無定型炭，再到高度有序石墨晶列結(jié)構(gòu)取向的轉(zhuǎn)變過程。

邱海鵬等研究了摻雜不同組元對再結(jié)晶石墨的熱導(dǎo)率、電阻率、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，再結(jié)晶石墨摻雜鋯后，其基本物理性能及其微晶結(jié)構(gòu)有較大幅度的改善；摻雜鈦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.0%)后石墨的抗彎強(qiáng)度和熱導(dǎo)率分別為50.2MPa和424W·m-1·K-1;摻雜硅-鈦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.0%和15.0%)后石墨的熱導(dǎo)率提高到了494W·m-1·K-1，但當(dāng)摻雜過量時材料的常溫?zé)釋?dǎo)率、電導(dǎo)率和力學(xué)性能都有所下降。

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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(gòu)成的呈蜂窩狀的二維平面結(jié)構(gòu)，于2004年由英國科學(xué)家Novoselov和Geim首次制得?石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離法?外延生長法?化學(xué)氣相沉積法和氧化石墨烯化學(xué)還原法等?有研究指出單層懸浮石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)到3000~5300W·m-1·K-1,Nika等根據(jù)試驗結(jié)果推斷，石墨烯納米帶的熱導(dǎo)率受其寬度的影響較大。

Jiang等根據(jù)石墨烯在彈道區(qū)域的聲子輸運(yùn)特性的理論研究,發(fā)現(xiàn)石墨烯的熱傳導(dǎo)具有各向異性的特點(diǎn)?國內(nèi)中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院成功制備出了國內(nèi)首片696.78cm2的單層石墨烯，這將大大擴(kuò)展石墨烯的下游應(yīng)用和需求，可以預(yù)見若將其制成熱量管理材料，無疑將對手機(jī)、平板電腦等電子消費(fèi)終端產(chǎn)品的設(shè)計和制造帶來深遠(yuǎn)的影響。

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碳納米管

碳納米管(CNTs)是由碳原子形成的單層或多層石墨卷曲形成的低維結(jié)構(gòu)材料，分為單壁碳納米管(SWCNT)?雙壁碳納米管(DWCNT)和多壁碳納米管(MWCNT)。目前比較成熟的制備方法有激光法、電弧法、催化裂解法和化學(xué)氣相沉積法等。

CNTs具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,且只能在一維方向上(軸向)傳遞熱能?其熱導(dǎo)率主要取決于碳納米管的直徑與長度?碳原子的排列?缺陷的數(shù)目及形態(tài)等因素?Berber等發(fā)現(xiàn)室溫下單個碳納米管高的熱導(dǎo)率與聲子的平均自由程有關(guān)。

Pop等報道了長2.6μm?直徑為1.7nm的SWCNT在室溫下的熱導(dǎo)率為3500W·m-1·K-1?Mensah等以無限長鏈碳原子沿基螺旋纏繞的單壁碳納米管為模型,運(yùn)用玻爾茲曼動力學(xué)方程計算出100K下碳納米管的熱導(dǎo)率為37500W·m-1·K-1;并預(yù)言在80K下其熱導(dǎo)率能達(dá)到200000W·m-1·K-1?

李元偉等研究發(fā)現(xiàn)SWCNT的室溫?zé)釋?dǎo)率隨其管長的增長而增大?侯泉文等通過非平衡分子動力學(xué)模擬研究了CNTs的熱導(dǎo)率隨長度的變化,發(fā)現(xiàn)在室溫下,CNTs長度小于40nm時，其熱導(dǎo)率與長度成線性關(guān)系，導(dǎo)熱表現(xiàn)為彈道輸運(yùn)的特征，單位面積彈道熱導(dǎo)為5.88×109W·m-2·K-1，聲子起主要作用；隨著CNTs長度的增加，導(dǎo)熱表現(xiàn)為彈道－擴(kuò)散輸運(yùn)特征，其熱導(dǎo)率仍然隨長度而增加，但增幅減小；當(dāng)長度大于10μm時,導(dǎo)熱近乎為完全擴(kuò)散輸運(yùn),其熱導(dǎo)率將收斂到有限值?

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總結(jié)

碳材料具有低密度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，利用其制成熱量管理材料，尤其適用于對小空間大熱流密度元件進(jìn)行散熱，能夠滿足下一代電子元器件集功能化、微型化和輕薄化于一體的發(fā)展要求，對現(xiàn)代工業(yè)、特種和高技術(shù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，我國應(yīng)該加大對高導(dǎo)熱碳材料研發(fā)的投資力度。

國內(nèi)對于高導(dǎo)熱碳材料的研究已有一定的理論積累，有的仍處于實驗室研究或中試階段，有的則已成功推向了市場，如人工石墨膜因?qū)崧矢?、熱阻低、超薄且抗折性能好、能附在任何彎曲的不?guī)則表面等優(yōu)點(diǎn)，目前已有較為成熟的產(chǎn)品面市，主要用于電子消費(fèi)類智能終端和LED基板等的散熱，是未來電子產(chǎn)品散熱的主流方向。

其它高導(dǎo)熱碳材料在研發(fā)過程中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題主要有：

制備金剛石薄膜材料時如何實現(xiàn)膜材料的可控生長；

制備石墨烯產(chǎn)品時如何實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和單品的大尺寸生產(chǎn)；

制備碳納米管材料時如何獲得純凈碳納米管（即去掉其中非CNTs的雜質(zhì)碳），以及如何實現(xiàn)其在聚合物基體中的均勻分散；

制備C/C復(fù)合材料時如何防止產(chǎn)品的氧化等。

當(dāng)然提高產(chǎn)品性能、簡化制備工藝、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)節(jié)能降耗則是碳材料全行業(yè)需要致力追求的發(fā)展方向。