中國粉體網(wǎng)訊 導熱材料是一種提升熱傳導中的均熱和導熱效率的材料，用于保障電子設備系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。按照其應用場景和形態(tài)性質來分，主要包括石墨散熱膜、導熱散熱材料（熱管、均熱板等）和導熱界面材料（如導熱硅脂、導熱凝膠等）。
導熱材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展可以追溯到20世紀50年代，當時的導熱材料以鋁和銅為主；20世紀60年代到70年代，有機硅材料開始迅速發(fā)展，熱管出現(xiàn)。20世紀70年代至21世紀初，石墨材料迅速發(fā)展并得到了廣泛的應用，此后，隨著5G、動力電池等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導熱需求激增，新型的熱管理材料不斷發(fā)展。
（一）厚型石墨膜
天然石墨膜是第一種石墨系均熱材料，也是最早被使用的均熱材料。高碳鱗片石墨通過化學處理、高溫膨脹軋制就可以得到天然的石墨膜，制造工藝簡單，且我國天然石墨儲量豐富，成本優(yōu)勢突出。天然石墨膜的問題在于以下兩點：一是作為天然產(chǎn)品，其片層容易出現(xiàn)結構缺陷，從而會影響到局部均熱性能；二是雖然天然石墨的橫向導熱能力已經(jīng)超過絕大部分的材料，但其縱向導熱性能不夠突出，主要應用于低端產(chǎn)品領域。
為解決天然石墨的厚度和縱向導熱的問題，合成石墨應運而生。合成石墨依托于石墨片層的高導熱性能，通過增加厚度或設計多層結構疊合的方式，提高整體或者局部厚度，具有縱向導熱性強、易于加工等特性，能夠滿足電子產(chǎn)品的需求，目前合成石墨正在逐漸替代天然石墨。
石墨膜生產(chǎn)工藝（圖源：安信證券）
隨著消費電子產(chǎn)品的大功率化，高導熱石墨膜逐漸由傳統(tǒng)單層、薄的石墨膜向復合型、厚型石墨膜發(fā)展。單層、薄的石墨膜受制于其本身的結構和尺寸，導熱性能有一定的上限，因此在一些需要更高導熱性能的應用場合，需要更厚的多層石墨膜來實現(xiàn)，多層石墨膜的市場占比逐步上升。而厚型石墨膜的厚度和多層薄層的石墨膜厚度一致，但單層厚型石墨可減少粘的層數(shù)，能夠增強熱通量，實現(xiàn)更好的導熱性能，因此單層厚型合成石墨膜具有廣闊的應用前景。
（二）石墨烯
石墨烯是新型均熱材料，有“六邊形戰(zhàn)士”之稱，具有很強的橫向導熱性和柔性。石墨烯是指單層的碳原子層，其理論導熱系數(shù)高達5300W/m·K，是迄今為止導熱系數(shù)最高的物質之一。隨著電子產(chǎn)品性能的不斷增強，越來越高的均熱需求帶動了石墨烯膜的使用。除了高導熱性外，石墨烯膜的柔性也是其重要性能。比如在折疊手機領域，天然石墨和合成石墨都具有較高的剛度，無法實現(xiàn)折疊過程，而石墨烯具有很強的柔性，三星、華為等廠商推出的折疊屏手機幾乎都選用石墨烯導熱膜為其核心均熱組件。目前，國內具有石墨烯膜生產(chǎn)供貨能力的廠商包括中石科技、富烯科技、深瑞墨烯、斯迪克等。
石墨和石墨稀結構對比（圖源：安信證券）
（三）超薄熱管
熱管具有快速均溫特性，由外部的空心金屬管和內部的可相變液體組成。其工作原理是借由空心金屬管腔內持續(xù)循環(huán)的液汽二相變化過程，使管體表面快速均溫。熱管普遍運用于各式熱交換器、冷卻器等，主要承擔快速熱傳導的任務，是目前電子產(chǎn)品的散熱裝置中最普遍高效的導熱元件。熱管呈細長狀，在均熱的同時，能將熱量沿管傳導到散熱組件附近。熱管設計比較靈活，在個人電腦（PC）、智能手機有重要應用，智能手機中的熱管厚度要遠小于個人電腦的熱管厚度，被稱為超薄熱管，隨著電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢，其厚度也在逐漸降低，超薄熱管具有更廣闊的市場發(fā)展前景。
（四）超薄均熱板
均熱板屬于高端均熱器件，主要應用于厚度或重量敏感型設備。均熱板一般由外部的銅和內部的可相變冷凝液組成，其結構和均熱原理上與熱管相似，區(qū)別在于均熱板呈現(xiàn)出二維板狀。透過傳導、蒸發(fā)、對流、凝固四個步驟，將點熱源釋放的熱量均勻分布在整個平面上。均熱效果超過石墨系材料，僅均熱單板就能達到整個平面均熱的效果，相較于厚重的熱管，均熱板更加輕薄，更適用于手機，在高性能發(fā)熱量較大的手機上具有天然的優(yōu)勢，除了手機外，少部分高端筆記本電腦也采用均熱板工藝。厚度的降低是均熱板的發(fā)展趨勢，早期個人電腦和智能手機均熱板的厚度為2-5㎜，2㎜以下的均熱板被稱為超薄均熱板，現(xiàn)經(jīng)過不斷研發(fā)，其厚度已達到0.5㎜以下，并實現(xiàn)多場景的應用。
采用均熱板散熱的手機（圖源：華碩）
（五）混合填充熱界面材料
熱界面材料一般由基體材料和填充物兩部分組成�；闹饕糜诒ＷC熱界面材料能遍及所有存在空氣縫隙的位置，主要選用具有流動性的高分子聚合物。填充物則選用各類高導熱系數(shù)的材料，如：金屬及金屬氧化物、氮化物、碳化物等，以提高傳熱效率。增加導熱功能填料是提高熱界面材料導熱性的有效手段，相較于增加單一導熱粒子的數(shù)量，不同粒徑混雜填充更能提升熱界面材料的導熱效率。在不同粒徑配比下，復合材料的粘度和導熱系數(shù)隨填料相對含量的變化情況是不同的。采用粒徑大小不同的粒子混合填充可以提高填充量，小粒子填充大粒子形成的空隙，二者緊密堆積，可以形成更加良好的導熱通路。
熱界面材料散熱原理（圖源：LED學院）
（六）復合型導熱相變材料
導熱相變材料主要應用于要求熱阻小、熱傳導效率高的高性能器件，可靠性高，安全性強。其工作原理是利用相變過程進行導熱，當溫度達到相變點時，導熱相材料會發(fā)生相變，由固態(tài)轉變?yōu)榱鲃討B(tài)，在壓力下流進發(fā)熱體和散熱器之間的不規(guī)則空隙，填充空隙，擠走空氣，降低接觸面的熱阻。相變過程中能夠將熱量吸收，起到控溫調溫的作用。
導熱相變材料主要有有機相變材料和無機相變材料兩類。有機相變材料如石蠟、脂肪醇等，具有化學穩(wěn)定性好、相變熱大等特點，但導熱性較差，常與高導熱填料（如石墨、碳納米管等）復合使用以提高導熱性能。無機相變材料如低熔點金屬，則具有較好的導熱性能和更高的相變溫度，但存在相對較低的化學穩(wěn)定性和相變熱的問題。復合相變材料可以兼顧高安全性和高導熱性，將成為導熱材料的發(fā)展重點。
參考來源：恒州博智、安信證券
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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