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超高导热材料的研发

发布时间:2018.07.09 浏览:179

在大功率集成电路和高功率密度电子工业等领域,随着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,散热问题日益成为制约其持续发展的关键因素。为此,超高导热材料的研发至关重要。碳材料具有超高的导热率,根据计算,石墨在平行于晶体层方向上的热导率理论上可高达4180W·m-1·K-1,几乎是传统金属材料铜、银及铝的10倍多,是最具发展前景的散热材料。


一、金刚石薄膜。

天然金刚石的室温热导率是已知自然界材料中最高的,为2000~2100W·m-1·K-1。人工合成金刚石单晶,36℃时的热导率可达2990W·m-1·K-1。人工合成金刚石的生产工艺须依靠高温高压技术,极大增加了生产成本;自从化学气相沉积法被用来制备金刚石薄膜以来,得到的薄膜产品面积大、质量高,且成本相对较低。用直流热阴极气相沉积法在钽盘上得到了透明金刚石薄膜,薄膜尺寸为直径40~80mm,膜厚达4.2mm,热导率达1000~1200W·m-1·K-1。

二、石墨。

室温时天然石墨在(002)晶面上的热导率达2200W·m-1·K-1,但普通多晶石墨的室温热导率只有70~150W·m-1·K-1。高定向裂解石墨在其面向上的热导率能够达到2000W·m-1·K-1;以聚酰亚胺薄膜为原料经炭化和石墨化热处理后得到的人工石墨薄膜,具有高度的石墨阵列取向 和 高 导 热 性 能, 热导率可达1000~1600W·m-1·K-1。

三、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。单层悬浮石墨烯的室温热导率可达到3000~5300W·m-1·K-1。国内已成功制备出了696.78cm2的单层石墨烯,这将大大扩展石墨烯的应用前景,将对手机、平板电脑等电子消费终端产品的设计和制造带来深远的影响。

四、碳纳米管及其复合材料。

碳纳米管是由碳原子形成的单层或多层石墨卷曲形成的低维结构材料。碳纳米管具有良好的导电性和导热性,且只能在一维方向上(轴向)传递热能。据报道,长 2.6μm、直径为 1.7nm 的碳纳米管在室温下的热导率达 3500W·m-1·K-1。将碳纳米管加入聚合物中可获得低填充量高导热聚合物基复合材料。

五、碳纤维及C/C复合材料。

碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气体中经碳化及高温石墨化处理而得到。当石墨晶格在纤维的轴向上获得高度择优定向后,会具有超高的热导率。以高导热碳纤维为原料制得的C/C复合材料,具有高温强度高、热膨胀系数小、自润滑性良好和热导率较高等一系列优异性能。