说起碳纤维，很多人可能第一印象就是——这是一种高强度、高耐热、难变形又重量轻的新材料，这些优越的性能，用在航空航天领域再适合不过了。使用碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的碳纤维复合材料（CFRP），无论是飞机、导弹、航空器、运载火箭、舰艇、轨道交通等重点领域，都缺不了它，其中以日本东丽公司为代表，产品水平在世界范围内首屈一指。

碳纤维材料

但上述所说的碳纤维，只是碳纤维类型里的其中一种，即聚丙烯腈基（PAN）碳纤维，是用作结构材料的“天选之子”，我们今天要提到的，却是另一种极为适合用在导热领域的碳纤维——沥青基碳纤维。

PAN基与沥青基碳纤维重点性能对比

从以上性能对比可知，沥青基碳纤维与PAN碳纤维走的是不同的发展方向，后者主要发挥力学优势，主要用作结构材料；而前者在追求高强度的同时，优势在于导热，主要用作功能材料。

中间相沥青经过熔融纺丝、氧化、碳化、石墨化等流程后成为中间相沥青基碳纤维。平面分子结构的中间相沥青在纤维中沿纤维轴方向高度取向，在高温石墨化过程中，形成片层石墨微晶，是中间相沥青基碳纤维能够具有高模量、高导热、导电性、电磁屏蔽性能的结构基础。

沥青基碳纤维的结构（具有轴向高强度高导热）

自从进入5G时代，高速高功率通信技术对导热要求极为苛刻，传统导热方案已经无法满足要求，尤其是芯片等核心部件，为实现与5G相匹配的运行处理能力，对导热方案提出了新的要求。沥青基碳纤维除了导热系数高，更是因其纤维轴向结构具有优异的可定向导热性能，可颠覆传统的芯片散热解决方案，因此中间相沥青基碳纤维正逐渐成为解决5G领域导热问题的核心材料。

沥青基碳纤维作为导热填料制备的导热垫片，在5G的各类应用场景有着广泛的应用，非常适合发热密度高的散热需求。

具有高散热需求的5G应用场景

目前用Al₂O₃、MgO、BN、AlN等无机粉末填充制成的导热垫片，其导热性能取决于粉体的填充量，往往会出现在基体聚合物中难以分散、填充量受限等问题，导致最终垫片的导热性能做不到太高，无法发挥出填料本身的高热导优势。

而沥青基短切纤维、磨碎纤维在聚合物基体中有良好的分散性能，不需要任何辅助手段，其本身就是以独立分散的粒状形态存在，并且填充工艺性好，不会引起体系粘稠度过高、弹性低、力学性能差等问题。同时，沥青基碳纤维填充到高分子基体中时可以通过流场、电场、磁场等方式进行阵列定向，在特定方向达到极好的导热效果。当填料达到一定含量后，相同填料比例，取向性好的情况下导热系数是填料无序排列时导热系数的3倍以上。

碳纤维高导热垫片的导热原理

日本企业通过对中间相沥青基碳纤维的阵列定向制得的硅胶导热垫片，已经从最高10W/mK的导热水平，提高到50W/mK。这是颠覆性的提升，不仅是在5G应用领域，甚至是6G领域，也可以采取这种定向导热方案。

而在国内，一些通讯领域导热材料的先进企业，也已经开始采用中间相沥青基碳纤维作为新一代导热材料，将中间相沥青基碳纤维定向阵列化，从而实现导热性能指标质的提升，目前已经量产导热系数达到25W/mK的柔性导热垫片。

日本迪睿合（前身为索尼化学）碳纤维导热垫片

阪东化学碳纤维导热垫片（可做绝缘处理）

目前已经有一些高端电子设备开始使用碳纤维导热，最常见的就是智能手机散热。

早在2018年，三星Galaxy Note9采用创新的碳纤维液冷系统，把笔记本上用到的碳纤维散热技术加到手机上，让散热更加高效，而如今也有越来越多的品牌手机开始在散热系统里应用碳纤维。

例如vivo新品线上发布会推出iQOO3 5G手机，在散热方面采用了碳纤维+VC液冷散热，以“超导碳纤维”和“液冷均热板”为主体。 三星Galaxy S20全系列，支持5G通信技术，散热方式采用vapor chamber均热板+石墨膜+铜箔+高导碳纤维垫片等。

三星手机碳纤维液冷系统

在手机的散热方案中，经常采用金属热管与导热片结合的方式，导热片作用于芯片部位，热管连接导热片将热量传导到其他区域进行散热。

但金属热管有许多缺点：

（1）金属热管无法任意设计成所需形态，难以在电子设备狭小且不规则的空间内有效导热；

（2）在热管的传热路径中不可避免的存在其他精密部件，而金属导热方向不可控，并且热膨胀系数大，势必影响其他部件的稳定性；

（3）铜等金属虽然导热性能较好，但由于密度大，不符合电子产品轻薄化的发展趋势。

热管散热

使用沥青基碳纤维就可以进行合理设计使其发挥热管的导热作用，解决热管在使用中的问题，由它制成的复合材料能够实现导热方向的可设计性、重量轻、热膨胀系数低，在如今配置越来越高、外形越来越轻薄的消费电子产品领域，沥青基碳纤维已经逐渐变得不可或缺。

目前，高性能沥青基碳纤维的核心技术及工业化由日本、美国等国家垄断并实行技术封锁和出口限制，但在导热垫片和导热粉的产品上其实也发展不久。目前做碳纤维比较好的有东丽、帝人、三菱、NGF（日本石墨纤维公司），其中东丽、帝人主做PAN基碳纤维，三菱PAN基和沥青基都有涉及，但导热粉的市场还不太重视，NGF主做导热方向的沥青基碳纤维，几家做导热垫片的龙头企业主要用的就是NGF的碳纤维导热粉。

NGF碳纤维导热粉

我国因近些年来主要集中力量发展PAN基碳纤维，对沥青碳纤维研究工作发展较为滞后，但这方面的研究在2010年以后也有了较大的发展和突破，其中以湖南大学为代表，目前已成功通过湖南东映碳材料科技有限公司作为产学研基地，建成了20吨/年高导热沥青基碳纤维生产线，其沥青基碳纤维具有高模量（＞900GPa）和高导热（＞800W/mK）优势。

沥青基碳纤维是电子产品热管理等领域高导热需求的不可多得的材料，随着5G的发展，也必将从目前的消费电子设备逐渐辐射到其他的应用领域，我国目前在中间相沥青基碳纤维产品的自主生产供应也逐渐发展壮大，也有越来越多的企业开始注重研发生产碳纤维导热应用产品，在5G导热领域，沥青基碳纤维正逐渐大放异彩。

粉体圈 小吉

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