一文了解碳纤维和其他碳基材料的导热性能

1 什么叫做热导率？

热导率是指材料导热的能力。它是通过热导傅里叶定律进行量化： 当体内存在温度梯度时，热能将从高温区域流向低温区域。 这种现象称为传导传热，并由傅立叶定律描述。

高导热率材料之间的热传递比低导热率材料之间的热传递速率更高。换句话说，具有高热导率的材料比用作绝热体的具有高热阻率的材料具有更好的导热性。

2、热导率的单位

用英制单位表示的热导率以BTU /（hr·ft·F）为单位。 在国际单位制（公制）中，单位为瓦/米开尔文（W·m ·K ）。

3、热量如何传导？

非金属和金属的导热系数不同，其导热原理也存在差别。 在金属中，电导率主要归因于自由电子。 这就是具有高电导率的金属也具有高热导率的原因。 导热系数随温度变化而变化，通常随温度升高而降低。 非金属的导热性主要是由于晶格振动（声子）。 除了低温下的高质量晶体外，差异不大，导热系数大致保持恒定。

4、不同材料的热导率对比

下表中热导率的单位W / m * K，密度是g / cm。

表中数据仅供参考，因导热系数将随化学成分、材料类型、晶体结构、测量方法、纤维排列、温度梯度等变化。

5、什么是石墨烯？

石墨烯是紧密堆积在二维（2D）蜂窝状晶格中的扁平碳原子单层，并且是石墨材料的基本构造单元。它可以包裹在富勒烯中（碳纳米管的别称），也可以堆叠在3D石墨中。 石墨烯片堆叠以形成石墨。 石墨烯片材最近已经被生产并且是深入研究的主题。 它们尚未得到广泛使用，但很快就会进入各行各业。

6、碳纤维与其它碳基材料导热性对比

目前有关碳纤维和其他碳基材料如碳纳米管、石墨烯的导热性的文章和研究很多，而其中测试结果也存在一定差异，具体体现在：

• 测量值范围很大。对于跨片测量的碳纤维复合材料，该值可能会非常低，对于热解石墨和金刚石等材料，它可能会非常高。

• 碳纤维、石墨和其他碳衍生物根据测量平面的不同而有很大差异。沿着纤维方向，热导率很高，相对于平面，热导率大大降低。

• 碳纤维的碳含量越高，碳化程度越高，热导率越高（也就是说碳纤维模量越高，热导率越高，如M55J级高模碳纤维热导率可达155W / m * K）。

• 碳纤维复合材料的热导率很难测量，因为它受到制造工艺、基体组成、纤维排列、测量方法和样品制备等众多因素影响。

• 部分实验结果显示通过掺杂碳纳米管和其他碳基材料可以提高碳纤维复合材料的热导率。

• 由于尚未开发相应的热导率测试技术，因此所报告的一些数字只是理论上的，如石墨烯、碳纳米管等。

7、碳纤维、石墨材料优点有哪些？

7.1 尺寸稳定

碳纤维比铜和其他金属具有优势，因为它的热膨胀系数非常低。加热材料时，它会膨胀，然后在冷却时再次收缩。当公差非常关键时，这可能是一个重要问题。光学系统和微电子学就是例子。铜的热膨胀系数为16.6，而碳纤维的系数可低至0。因此，金属铜可以与碳纤维/石墨材料结合在一起，制成了一种线性热膨胀系数明显较小的材料。此外，科研人员曾尝试了金属铝和碳纤维通过混合形成电偶，但是容易导致腐蚀。因此铜是更好的选择，且也不存在腐蚀问题，如果碳纤维的石墨化程度很高，实际的导热系数可能会比单独的铜高。

7.2 导热系数大

一些石墨和金刚石比铜和银的导热系数高得多。但是其费用也高得让人望而却步。此外，高热导率石墨非常易碎，这是一个缺点。

7.3 比强度

碳材料比金属轻得多，如碳纤维具有较高的强度重量比。普通环氧树脂中的任何碳纤维只能承受不会损坏环氧基体的温度。因此，常规复合材料用途有限。目前已经开发了高温环氧树脂，但实际上温度不是很高。可已通过制造碳纤维面板而不将其嵌入环氧树脂的方法，这大大扩展了温度范围。

8、碳纤维是很好的导热体吗？

通常，答案是“取决于情况”。上文中也提到，碳纤维模量越高其导热性能越好，如M55J级高模碳纤维热导率可以与铜媲美甚至超过铜，它也是T300、T800级碳纤维的数倍。对于普通碳纤维如T300碳纤维由普通环氧树脂制成并希望在整个厚度范围内传导热量时，可以通过添加石墨烯等，提高其传热性能。石墨是热交换器的常用材料。其他碳材料（例如金刚石）或某些石墨（例如热解石墨）可以比铜高5倍。

来源：炭纤维及其复合材料技术

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