高導(dǎo)熱中間相瀝青基碳纖維在5G領(lǐng)域中的應(yīng)用

（文章來源：遼寧諾科碳材料）

5G作為高速高功率通信技術(shù)，對導(dǎo)熱要求極為苛刻，傳統(tǒng)導(dǎo)熱方案已經(jīng)無法滿足要求，新的導(dǎo)熱技術(shù)必須有質(zhì)的變化才能應(yīng)對如此復(fù)雜的過熱環(huán)境。尤其是芯片等核心部件，為實現(xiàn)與5G相匹配的運(yùn)行處理能力，必須時刻保持“冷靜”，對導(dǎo)熱方案提出了新的要求。過去在航天工業(yè)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用的高導(dǎo)熱中間相瀝青基碳纖維，引起導(dǎo)熱領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其優(yōu)異的可定向?qū)嵝阅?，正在顛覆傳統(tǒng)的芯片散熱解決方案，中間相瀝青基碳纖維將成為解決5G領(lǐng)域?qū)釂栴}的核心材料。

預(yù)計到2025年全球?qū)⒂?50萬個5G基站，28億5G用戶，其中，中國基站將超過400萬個，用戶也將突破10億。同時將帶動大量手機(jī)、汽車、智能醫(yī)療系統(tǒng)、智能可穿戴設(shè)備、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的生產(chǎn)或建設(shè)。5G成為通信技術(shù)行業(yè)顛覆性的革命，為整個產(chǎn)業(yè)鏈帶來極大的發(fā)展機(jī)遇同時也提出了更苛刻的技術(shù)要求，尤其是對散熱材料和電磁屏蔽材料的質(zhì)量和數(shù)量需求將迅速增長。

中間相瀝青是重質(zhì)芳烴經(jīng)過縮聚等一系列反應(yīng)形成的，具有光學(xué)各向異性的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)聚合物，是一種熔致液晶聚合物。中間相瀝青經(jīng)過熔融紡絲、氧化、碳化、石墨化等流程后成為中間相瀝青基碳纖維。合成具有良好可紡性、高純度的中間相瀝青，是整個工藝鏈中的核心技術(shù)。平面分子結(jié)構(gòu)的中間相瀝青在纖維中沿纖維軸方向高度取向，在高溫石墨化過程中，形成片層石墨微晶，是中間相瀝青基碳纖維能夠具有高模量、高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、電磁屏蔽性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

中間相瀝青基碳纖維沿纖維軸向?qū)嵯禂?shù)可達(dá)1100W/mK以上，是鋁的四倍以上，銅的兩倍以上。雖然目前一些納米材料具有很高的理論導(dǎo)熱系數(shù)，但實際應(yīng)用中由于存在著在基體聚合物中難以分散、難以定向陣列、填充量受限等因素，很難做出高導(dǎo)熱的尤其是定向的導(dǎo)熱材料。以中間相瀝青基碳纖維作為導(dǎo)熱填料的復(fù)合材料，通過合理的設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)30W/mK以上。

中間相瀝青基短切纖維、磨碎纖維在聚合物基體中有良好的分散性能。不需要任何輔助手段，其本身就是以獨(dú)立分散的粒狀形態(tài)存在，并且填充工藝性好，不會引起體系粘稠度過高、彈性低、力學(xué)性能差等問題。良好的分散性對獲得高導(dǎo)熱性能非常重要。圖1是某導(dǎo)熱填料在分散狀態(tài)和聚集狀態(tài)填充時導(dǎo)熱系數(shù)對比，可見，良好的分散性可以使導(dǎo)熱系數(shù)提高一倍以上。

日本企業(yè)通過對中間相瀝青基碳纖維的陣列定向制得的硅膠導(dǎo)熱墊片，已經(jīng)從最高10w/m·k的導(dǎo)熱水平，提高到50w/m·k。這是顛覆性的提升，不僅是在5G應(yīng)用領(lǐng)域，甚至是6G領(lǐng)域，也將是采取這種定向?qū)岱桨浮Ｄ壳翱磥?，中間相瀝青基碳纖維是綜合性能非常優(yōu)秀的定向?qū)岵牧稀?/p>

在國內(nèi)，一些通訊領(lǐng)域?qū)岵牧系南冗M(jìn)企業(yè)，已經(jīng)開始采用中間相瀝青基碳纖維作為新一代導(dǎo)熱材料，將中間相瀝青基碳纖維定向陣列化，從而實現(xiàn)導(dǎo)熱性能指標(biāo)質(zhì)的提升，目前已經(jīng)量產(chǎn)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到25W/mK的柔性導(dǎo)熱墊片。

手機(jī)的散熱方案中，經(jīng)常采用熱管與導(dǎo)熱片結(jié)合的方式，導(dǎo)熱片作用于芯片部位，熱管連接導(dǎo)熱片將熱量傳導(dǎo)到其他區(qū)域進(jìn)行散熱。但金屬熱管有許多缺點，比如，（1）金屬熱管無法任意設(shè)計成所需形態(tài)，難以在電子設(shè)備狹小且不規(guī)則的空間內(nèi)有效導(dǎo)熱；（2）在熱管的傳熱路徑中不可避免的存在其他精密部件，而金屬導(dǎo)熱方向不可控，并且熱膨脹系數(shù)大，勢必影響其他部件的穩(wěn)定性；（3）銅等金屬雖然導(dǎo)熱性能較好，但由于密度大，不符合電子產(chǎn)品輕薄化的發(fā)展趨勢。

中間相瀝青基碳纖維沿軸向具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和極低的熱膨脹系數(shù)，而徑向方向?qū)嵯禂?shù)較低，在導(dǎo)熱性能上具有各向異性，由它制成的復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)熱方向的可設(shè)計性，且重量輕，熱膨脹系數(shù)低。以導(dǎo)熱系數(shù)500W/mK的中間相瀝青基碳纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合形成的復(fù)合材料，沿纖維軸向?qū)嵯禂?shù)可達(dá)300W/mK。

已經(jīng)有前瞻性研究將中間相瀝青基碳纖維進(jìn)行合理設(shè)計使其發(fā)揮熱管的導(dǎo)熱作用，解決熱管在使用中的問題。國外某知名手機(jī)品牌已經(jīng)計劃采用“碳纖維液冷系統(tǒng)”讓手機(jī)導(dǎo)熱效能更好，長時間維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。中間相瀝青基碳纖維在5G導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)引起5G行業(yè)的廣泛關(guān)注，未來5G對高導(dǎo)熱中間相瀝青基碳纖維的需求量將持續(xù)增加。

除了導(dǎo)熱性能，在電磁屏蔽方面，中間相瀝青基碳纖維同樣表現(xiàn)突出。中間相瀝青基碳纖維通過合理的設(shè)計，電磁屏蔽效能SE值可達(dá)90db以上，同時具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐氧化、不易沉積、分散性好、可設(shè)計性強(qiáng)、電磁屏蔽效果可調(diào)、適用范圍廣等優(yōu)勢，是優(yōu)秀的電磁屏蔽解決方案。

中間相瀝青基碳纖維是發(fā)展我國宇航工業(yè)、高端裝備制造業(yè)的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。其高模量性能是滿足衛(wèi)星天線、飛行器高剛度面板、大型飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)器人手臂、大型工業(yè)羅拉等裝備精密高效運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。其高導(dǎo)熱性能是滿足飛行器發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、導(dǎo)彈鼻錐體、電子產(chǎn)品熱管理等領(lǐng)域高導(dǎo)熱需求的不可多得的材料。其優(yōu)異的電磁屏蔽性能是航天信息系統(tǒng)、民用電子產(chǎn)品電磁屏蔽防護(hù)的優(yōu)秀材料。由于其在多領(lǐng)域的重要應(yīng)用，日美對相關(guān)技術(shù)一直嚴(yán)格封鎖，產(chǎn)品也對我國嚴(yán)格禁售，為推動我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高產(chǎn)品競爭力，我國急需自主生產(chǎn)供應(yīng)中間相瀝青基碳纖維產(chǎn)品。

（責(zé)任編輯：fqj）