【原创】高导热纤维：开启热管理新时代

中国粉体网讯  在当今科技高速发展的时代，热管理问题成为众多领域面临的关键挑战之一。从电子设备的散热需求到功能性服装的温度调节，从航空航天的热防护到新能源领域的热传导优化，高导热纤维以其独特的性能和广泛的应用前景，逐渐成为研究和产业界的焦点。

伴随航空航天、电子芯片、人工智能等领域的高速发展，高功率均热、散热的应用需求对高导热材料提出了越来越高的要求。高导热纤维，例如中间相沥青基碳纤维、氮化硼纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等，既呈现出优异的高导热能力，还兼具高力学强度、定向导热特性、可编织性，是实现高功率散热应用的结构功能一体化理想材料。

高导热纤维的发展历史

中间相沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是指以富含稠环芳烃的物质为原料制备而成的一种碳纤维。沥青基碳纤维按照其性能可以分为通用级沥青基碳纤维和中间相沥青基碳纤维。沥青是从石油副产品、煤、焦油、聚合物的热解过程中获得的。

中间相沥青具有分子量高、高石墨化程度、良好芳香性、黏度高和固体化程度高等特点, 通常采用熔融纺丝法制备中间相沥青基碳纤维。在熔融纺丝过程中, 前驱体在惰性气体条件下被加热至熔融状态, 然后通过施加压力将熔融体从喷丝口挤出以形成初生纤维。

氮化硼纤维

氮化硼是一种具有大带隙(5.2eV)的高导热(2000Wm⁻¹K⁻¹)绝缘物质，有着和石墨烯类似的蜂窝状原子结构，也被称为“白色石墨烯”。

氮化硼纤维作为一种独特的高绝缘、高导热纤维材料，在高功率芯片导热和封装材料领域展现出了巨大的应用前景。然而，氮化硼纤维的制备过程复杂，目前仍存在一些技术难题，如单晶生长和长纤维的制备。此外，规模化制备难度大，使得市场上供应的氮化硼纤维数量有限, 难以满足大规模生产和应用的需求。基于此，未来的研究和开发可以集中在优化氮化硼纤维的连续纺丝工艺开发、低成本制备等方面。

碳纳米管纤维

碳纳米管是一种管状一维纳米材料，具有超高的机械强度，而且其热导率可以达到3500Wm⁻¹K⁻¹。碳纳米管纤维是以碳纳米管为组装单元构建而成的宏观材料，碳纳米管纤维由数百万个平行排列的碳纳米管组成。碳纳米管纤维发展的关键是实现从纳米尺度到微米尺度的跨尺度性能传递。碳纳米管纤维的制备通常有3种方法: 浮动催化法、阵列纺丝法及干湿法纺丝。其中干湿法纺丝已规模应用于纤维制备。

干湿法纺丝是将干法与湿法结合起来的一种溶液纺丝方法，也称干喷湿纺。干湿法纺丝时，纺丝溶液从喷丝头压出后，先经过一段时间，然后进入凝固浴，因此也有人把这种方法称为气隙纺丝(Air Gap Spinining)。从凝固浴中导出的初生纤维的后处理过程，与普通湿法纺丝相同。

干喷湿纺制备高性能碳纳米管纤维的过程示意图

碳纳米管纤维在呈现出优异热导率的同时，还能兼顾出色的力学强度和可编织性。碳纳米管纤维相较沥青基碳纤维具有更为突出的断裂伸长能力和纤维柔性，能有效弥补沥青基碳纤维在编织及复合材料制备方面的不足。然而，尽管碳纳米管纤维具备这些优势，目前仍然面临碳纳米管难以高浓度均匀分散、纤维规模化困难等挑战。

石墨烯纤维

石墨烯是单原子层厚度的二维纳米材料，其热导率达到5300Wm⁻¹K⁻¹。石墨烯的高导热特性主要由内部声子传热贡献，平面内由强化学键构成而促进声子传导，使得石墨烯在平面方向上具有高热导率。石墨烯纤维兼具良好的力学、热学性能，可借助湿法纺丝技术大量制备，实现规模化制备。石墨烯纤维的原材料通常为氧化石墨烯分散液，

石墨烯纤维的湿法纺制工艺主要借鉴于传统的湿法纺丝工艺过程。将制备得到的具有一定黏度的氧化石墨烯(graphene oxide，GO)分散液在气压泵的作用下经过过滤器，在喷丝口处均匀定量的注入到凝固浴中，在双扩散机制的作用下原液细流在凝固浴中凝固成型得到初生丝条。之后进行一定程度的牵伸处理，经过一次或者多次的洗涤槽，进一步固化，初步形成GO纤维。后续经过干燥箱干燥去除溶剂以及高温烧结等工艺得到成品石墨烯纤维，最后进行卷绕收集。

石墨烯纤维的湿法纺制工艺

高导热纤维的特性

1. 优异的导热性能：高导热纤维最显著的特性就是其卓越的导热能力。与传统纤维相比，高导热纤维能够更快速地传递热量，有效地降低局部温度，提高热传导效率。这一特性使得高导热纤维在散热、热传导等方面具有得天独厚的优势。

2. 良好的力学性能：除了导热性能外，高导热纤维通常还具有良好的力学性能，如高强度、高韧性和耐磨性等。这使得高导热纤维在实际应用中不仅能够有效地传递热量，还能承受一定的机械应力，保证其在各种复杂环境下的稳定性和可靠性。

3. 轻质灵活：高导热纤维通常具有较轻的质量和良好的柔韧性，可以根据不同的需求进行编织、织造或复合，制成各种形状和结构的材料。这种轻质灵活的特点使得高导热纤维在一些对重量和空间有严格要求的领域，如航空航天、电子设备等，具有不可替代的优势。

4. 化学稳定性：高导热纤维一般具有较好的化学稳定性，能够在不同的化学环境下保持其性能稳定。这使得高导热纤维可以在各种恶劣的工作条件下应用，如高温、高压、腐蚀性环境等。

高导热纤维的应用领域

1. 电子设备散热：随着电子设备的性能不断提高，其散热问题也日益突出。高导热纤维可以作为散热材料，应用于电子设备的散热器、散热片等部件中，有效地提高电子设备的散热效率，降低工作温度，延长设备的使用寿命。

2. 功能性服装：高导热纤维可以应用于功能性服装中，如运动服装、户外服装等，实现对人体温度的调节。在寒冷的环境中，高导热纤维可以将人体产生的热量快速传递出去，使服装内部的温度保持在一个相对稳定的状态，减少热量在服装内部的积聚，从而避免因过热而导致出汗，进而防止汗水在低温环境下使人体感到寒冷；在炎热的环境中，高导热纤维可以将外界的热量快速传递到人体表面，通过汗液蒸发等方式散热，保持身体凉爽。

3. 航空航天：在航空航天领域，高导热纤维可以作为热防护材料，应用于飞行器的外壳、发动机等部件中，有效地降低飞行器在高速飞行过程中产生的热量，提高飞行器的安全性和可靠性。此外，高导热纤维还可以应用于航空航天领域的电子设备散热、卫星热控等方面。

4. 新能源领域：在新能源领域，高导热纤维可以作为电池隔膜、电极材料等，提高电池的充放电效率和安全性。此外，高导热纤维还可以应用于太阳能电池、燃料电池等新能源设备的热管理中，提高设备的性能和稳定性。

高导热纤维的未来发展趋势

1. 高性能化：随着科技的不断进步，对高导热纤维的性能要求也将越来越高。未来，高导热纤维将朝着更高的导热系数、更好的力学性能、更高的化学稳定性等方向发展，以满足不同领域对热管理的更高需求。

2. 多功能化：除了导热性能外，高导热纤维还可以具备其他功能，如导电、抗菌、防辐射等。未来，高导热纤维将朝着多功能化的方向发展，通过复合不同的功能材料，实现多种功能的集成，为热管理领域提供更加全面的解决方案。

3. 绿色环保：在环保意识日益增强的今天，绿色环保将成为高导热纤维发展的重要趋势。未来，高导热纤维的制备将更加注重环保和可持续发展，采用绿色环保的原料和工艺，减少对环境的污染。

4. 智能化：随着智能化技术的不断发展，高导热纤维也将朝着智能化的方向发展。未来，高导热纤维可以通过集成传感器、控制器等智能元件，实现对热传导过程的实时监测和控制，提高热管理的效率和精度。

结语

高导热纤维作为一种新型的热管理材料，具有优异的导热性能、良好的力学性能、轻质灵活和化学稳定性等特点。通过填充法、共混纺丝法、原位聚合法和静电纺丝法等制备方法，可以制备出不同性能的高导热纤维。高导热纤维在电子设备散热、功能性服装、航空航天、新能源领域等方面具有广泛的应用前景。未来，高导热纤维将朝着高性能化、多功能化、绿色环保和智能化的方向发展，为热管理领域带来更多的创新和突破。

参考来源：

奚启清等，高导热纤维研究进展

夏洲，湿法纺制石墨烯纤维：工艺、结构、性能与智能应用

侯鹏翔等，干喷湿纺制备高导电双壁碳纳米管纤维

中国粉体网

（中国粉体网编辑整理/留白）

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