中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代，熱管理問(wèn)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(dú)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(diǎn),。
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(duì)高導(dǎo)熱材料提出了越來(lái)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(qiáng)度,、定向?qū)崽匦�,、可編織�?/span>，是實(shí)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(jí)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(guò)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(diǎn), 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(guò)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(guò)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(dú)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(guò)程復(fù)雜,，目前仍存在一些技術(shù)難題，如單晶生長(zhǎng)和長(zhǎng)纖維的制備,。此外,，規(guī)模化制備難度大,，使得市場(chǎng)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�,；诖�,，未來(lái)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(qiáng)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(wàn)個(gè)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(shí)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(dòng)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(lái)的一種溶液紡絲方法,，也稱干噴濕紡,。干濕法紡絲時(shí)，紡絲溶液從噴絲頭壓出后,，先經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(guò)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(guò)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(shí),，還能兼顧出色的力學(xué)強(qiáng)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(zhǎng)能力和纖維柔性，能有效彌補(bǔ)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(shì)，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備,。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(guò)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(guò)過(guò)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(guò)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(guò)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì),。
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(qiáng)度,、高韌性和耐磨性等,。這使得高導(dǎo)熱纖維在實(shí)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(diǎn)使得高導(dǎo)熱纖維在一些對(duì)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(shì),。
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(wèn)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)服裝,、戶外服裝等，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)相對(duì)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(guò)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(guò)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(dòng)機(jī)等部件中，有效地降低飛行器在高速飛行過(guò)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(yáng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)
1. 高性能化：隨著科技的不斷進(jìn)步,，對(duì)高導(dǎo)熱纖維的性能要求也將越來(lái)越高。未來(lái),，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(lái)，高導(dǎo)熱纖維將朝著多功能化的方向發(fā)展,，通過(guò)復(fù)合不同的功能材料,，實(shí)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(shí)日益增強(qiáng)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(shì)。未來(lái),，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(duì)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(lái),，高導(dǎo)熱纖維可以通過(guò)集成傳感器,、控制器等智能元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,，提高熱管理的效率和精度,。
結(jié)語(yǔ)
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(diǎn)。通過(guò)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(lái)，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(lái)更多的創(chuàng)新和突破。
參考來(lái)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(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除,！
