中國粉體網(wǎng)訊 在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時代，熱管理問題成為眾多領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。從電子設(shè)備的散熱需求到功能性服裝的溫度調(diào)節(jié)，從航空航天的熱防護(hù)到新能源領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)優(yōu)化，高導(dǎo)熱纖維以其獨特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，逐漸成為研究和產(chǎn)業(yè)界的焦點。
伴隨航空航天、電子芯片、人工智能等領(lǐng)域的高速發(fā)展，高功率均熱、散熱的應(yīng)用需求對高導(dǎo)熱材料提出了越來越高的要求。高導(dǎo)熱纖維，例如中間相瀝青基碳纖維、氮化硼纖維、碳納米管纖維、石墨烯纖維等，既呈現(xiàn)出優(yōu)異的高導(dǎo)熱能力，還兼具高力學(xué)強度、定向?qū)崽匦浴⒖删幙椥?/span>，是實現(xiàn)高功率散熱應(yīng)用的結(jié)構(gòu)功能一體化理想材料。
高導(dǎo)熱纖維的發(fā)展歷史
中間相瀝青基碳纖維
瀝青基碳纖維是指以富含稠環(huán)芳烴的物質(zhì)為原料制備而成的一種碳纖維。瀝青基碳纖維按照其性能可以分為通用級瀝青基碳纖維和中間相瀝青基碳纖維。瀝青是從石油副產(chǎn)品、煤、焦油、聚合物的熱解過程中獲得的。
中間相瀝青具有分子量高、高石墨化程度、良好芳香性、黏度高和固體化程度高等特點, 通常采用熔融紡絲法制備中間相瀝青基碳纖維。在熔融紡絲過程中, 前驅(qū)體在惰性氣體條件下被加熱至熔融狀態(tài), 然后通過施加壓力將熔融體從噴絲口擠出以形成初生纖維。
氮化硼纖維
氮化硼是一種具有大帶隙(5.2eV)的高導(dǎo)熱(2000Wm−1K−1)絕緣物質(zhì)，有著和石墨烯類似的蜂窩狀原子結(jié)構(gòu)，也被稱為“白色石墨烯”。
氮化硼纖維作為一種獨特的高絕緣、高導(dǎo)熱纖維材料，在高功率芯片導(dǎo)熱和封裝材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。然而，氮化硼纖維的制備過程復(fù)雜，目前仍存在一些技術(shù)難題，如單晶生長和長纖維的制備。此外，規(guī)�；苽潆y度大，使得市場上供應(yīng)的氮化硼纖維數(shù)量有限, 難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的需求。基于此，未來的研究和開發(fā)可以集中在優(yōu)化氮化硼纖維的連續(xù)紡絲工藝開發(fā)、低成本制備等方面。
碳納米管纖維
碳納米管是一種管狀一維納米材料，具有超高的機(jī)械強度，而且其熱導(dǎo)率可以達(dá)到3500Wm−1K−1。碳納米管纖維是以碳納米管為組裝單元構(gòu)建而成的宏觀材料，碳納米管纖維由數(shù)百萬個平行排列的碳納米管組成。碳納米管纖維發(fā)展的關(guān)鍵是實現(xiàn)從納米尺度到微米尺度的跨尺度性能傳遞。碳納米管纖維的制備通常有3種方法: 浮動催化法、陣列紡絲法及干濕法紡絲。其中干濕法紡絲已規(guī)模應(yīng)用于纖維制備。
干濕法紡絲是將干法與濕法結(jié)合起來的一種溶液紡絲方法，也稱干噴濕紡。干濕法紡絲時，紡絲溶液從噴絲頭壓出后，先經(jīng)過一段時間，然后進(jìn)入凝固浴，因此也有人把這種方法稱為氣隙紡絲(Air Gap Spinining)。從凝固浴中導(dǎo)出的初生纖維的后處理過程，與普通濕法紡絲相同。
干噴濕紡制備高性能碳納米管纖維的過程示意圖
碳納米管纖維在呈現(xiàn)出優(yōu)異熱導(dǎo)率的同時，還能兼顧出色的力學(xué)強度和可編織性。碳納米管纖維相較瀝青基碳纖維具有更為突出的斷裂伸長能力和纖維柔性，能有效彌補瀝青基碳纖維在編織及復(fù)合材料制備方面的不足。然而，盡管碳納米管纖維具備這些優(yōu)勢，目前仍然面臨碳納米管難以高濃度均勻分散、纖維規(guī)�；щy等挑戰(zhàn)。
石墨烯纖維
石墨烯是單原子層厚度的二維納米材料，其熱導(dǎo)率達(dá)到5300Wm−1K−1。石墨烯的高導(dǎo)熱特性主要由內(nèi)部聲子傳熱貢獻(xiàn)，平面內(nèi)由強化學(xué)鍵構(gòu)成而促進(jìn)聲子傳導(dǎo)，使得石墨烯在平面方向上具有高熱導(dǎo)率。石墨烯纖維兼具良好的力學(xué)、熱學(xué)性能，可借助濕法紡絲技術(shù)大量制備，實現(xiàn)規(guī)�；苽�。石墨烯纖維的原材料通常為氧化石墨烯分散液，
石墨烯纖維的濕法紡制工藝主要借鑒于傳統(tǒng)的濕法紡絲工藝過程。將制備得到的具有一定黏度的氧化石墨烯(graphene oxide，GO)分散液在氣壓泵的作用下經(jīng)過過濾器，在噴絲口處均勻定量的注入到凝固浴中，在雙擴(kuò)散機(jī)制的作用下原液細(xì)流在凝固浴中凝固成型得到初生絲條。之后進(jìn)行一定程度的牽伸處理，經(jīng)過一次或者多次的洗滌槽，進(jìn)一步固化，初步形成GO纖維。后續(xù)經(jīng)過干燥箱干燥去除溶劑以及高溫?zé)Y(jié)等工藝得到成品石墨烯纖維，最后進(jìn)行卷繞收集。
石墨烯纖維的濕法紡制工藝
高導(dǎo)熱纖維的特性
1. 優(yōu)異的導(dǎo)熱性能：高導(dǎo)熱纖維最顯著的特性就是其卓越的導(dǎo)熱能力。與傳統(tǒng)纖維相比，高導(dǎo)熱纖維能夠更快速地傳遞熱量，有效地降低局部溫度，提高熱傳導(dǎo)效率。這一特性使得高導(dǎo)熱纖維在散熱、熱傳導(dǎo)等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。
2. 良好的力學(xué)性能：除了導(dǎo)熱性能外，高導(dǎo)熱纖維通常還具有良好的力學(xué)性能，如高強度、高韌性和耐磨性等。這使得高導(dǎo)熱纖維在實際應(yīng)用中不僅能夠有效地傳遞熱量，還能承受一定的機(jī)械應(yīng)力，保證其在各種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。
3. 輕質(zhì)靈活：高導(dǎo)熱纖維通常具有較輕的質(zhì)量和良好的柔韌性，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行編織、織造或復(fù)合，制成各種形狀和結(jié)構(gòu)的材料。這種輕質(zhì)靈活的特點使得高導(dǎo)熱纖維在一些對重量和空間有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，如航空航天、電子設(shè)備等，具有不可替代的優(yōu)勢。
4. 化學(xué)穩(wěn)定性：高導(dǎo)熱纖維一般具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在不同的化學(xué)環(huán)境下保持其性能穩(wěn)定。這使得高導(dǎo)熱纖維可以在各種惡劣的工作條件下應(yīng)用，如高溫、高壓、腐蝕性環(huán)境等。
高導(dǎo)熱纖維的應(yīng)用領(lǐng)域
1. 電子設(shè)備散熱：隨著電子設(shè)備的性能不斷提高，其散熱問題也日益突出。高導(dǎo)熱纖維可以作為散熱材料，應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱器、散熱片等部件中，有效地提高電子設(shè)備的散熱效率，降低工作溫度，延長設(shè)備的使用壽命。
2. 功能性服裝：高導(dǎo)熱纖維可以應(yīng)用于功能性服裝中，如運動服裝、戶外服裝等，實現(xiàn)對人體溫度的調(diào)節(jié)。在寒冷的環(huán)境中，高導(dǎo)熱纖維可以將人體產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去，使服裝內(nèi)部的溫度保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，減少熱量在服裝內(nèi)部的積聚，從而避免因過熱而導(dǎo)致出汗，進(jìn)而防止汗水在低溫環(huán)境下使人體感到寒冷；在炎熱的環(huán)境中，高導(dǎo)熱纖維可以將外界的熱量快速傳遞到人體表面，通過汗液蒸發(fā)等方式散熱，保持身體涼爽。
3. 航空航天：在航空航天領(lǐng)域，高導(dǎo)熱纖維可以作為熱防護(hù)材料，應(yīng)用于飛行器的外殼、發(fā)動機(jī)等部件中，有效地降低飛行器在高速飛行過程中產(chǎn)生的熱量，提高飛行器的安全性和可靠性。此外，高導(dǎo)熱纖維還可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備散熱、衛(wèi)星熱控等方面。
4. 新能源領(lǐng)域：在新能源領(lǐng)域，高導(dǎo)熱纖維可以作為電池隔膜、電極材料等，提高電池的充放電效率和安全性。此外，高導(dǎo)熱纖維還可以應(yīng)用于太陽能電池、燃料電池等新能源設(shè)備的熱管理中，提高設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。
高導(dǎo)熱纖維的未來發(fā)展趨勢
1. 高性能化：隨著科技的不斷進(jìn)步，對高導(dǎo)熱纖維的性能要求也將越來越高。未來，高導(dǎo)熱纖維將朝著更高的導(dǎo)熱系數(shù)、更好的力學(xué)性能、更高的化學(xué)穩(wěn)定性等方向發(fā)展，以滿足不同領(lǐng)域?qū)峁芾淼母咝枨蟆?/span>
2. 多功能化：除了導(dǎo)熱性能外，高導(dǎo)熱纖維還可以具備其他功能，如導(dǎo)電、抗菌、防輻射等。未來，高導(dǎo)熱纖維將朝著多功能化的方向發(fā)展，通過復(fù)合不同的功能材料，實現(xiàn)多種功能的集成，為熱管理領(lǐng)域提供更加全面的解決方案。
3. 綠色環(huán)保：在環(huán)保意識日益增強的今天，綠色環(huán)保將成為高導(dǎo)熱纖維發(fā)展的重要趨勢。未來，高導(dǎo)熱纖維的制備將更加注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，采用綠色環(huán)保的原料和工藝，減少對環(huán)境的污染。
4. 智能化：隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，高導(dǎo)熱纖維也將朝著智能化的方向發(fā)展。未來，高導(dǎo)熱纖維可以通過集成傳感器、控制器等智能元件，實現(xiàn)對熱傳導(dǎo)過程的實時監(jiān)測和控制，提高熱管理的效率和精度。
結(jié)語
高導(dǎo)熱纖維作為一種新型的熱管理材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、良好的力學(xué)性能、輕質(zhì)靈活和化學(xué)穩(wěn)定性等特點。通過填充法、共混紡絲法、原位聚合法和靜電紡絲法等制備方法，可以制備出不同性能的高導(dǎo)熱纖維。高導(dǎo)熱纖維在電子設(shè)備散熱、功能性服裝、航空航天、新能源領(lǐng)域等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。未來，高導(dǎo)熱纖維將朝著高性能化、多功能化、綠色環(huán)保和智能化的方向發(fā)展，為熱管理領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和突破。
參考來源：
奚啟清等，高導(dǎo)熱纖維研究進(jìn)展
夏洲，濕法紡制石墨烯纖維：工藝、結(jié)構(gòu)、性能與智能應(yīng)用
侯鵬翔等，干噴濕紡制備高導(dǎo)電雙壁碳納米管纖維
中國粉體網(wǎng)
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