航天器熱管理高導熱材料應用研究

雷智博，曹建光，董麗寧，董 健，畢振瀚

(上海衛星工程研究所，上海 200240)

1 前 言

近年來隨著我國航天技術的飛速發展，航天器載荷種類及衛星功耗不斷增長，各種大規模集成電路廣泛應用于各類衛星載荷，小體積化、高集成度、高功率化成為各類電子元器件的發展方向。通過模塊化設計，高集成度電子器件可以實現航天器結構小型化和負載輕巧化，有利于完成航天器多功能多目標的探測任務。然而，高度集成化以及緊湊型封裝技術大大減少了器件的散熱空間，致使器件的功率密度急劇增加，廢熱聚集在器件內部狹小空間；局部溫度過高、熱流分布不均勻、小空間范圍內熱流密度過高等散熱問題日益凸現。過高的功率密度會使得小范圍內的熱量堆積，使得器件的溫度偏離正常工作溫度。溫度過高不但影響器件的正常工作，增加其運行狀況的不穩定性；還會因器件內部與外部環境間過大的溫差而產生較大的熱應力，降低器件的工作性能和可靠性，從而影響航天器的探測任務和使用壽命。

目前衛星熱管理領域中普遍使用的熱管技術、擴熱板均溫技術、強制對流換熱熱沉、低熱阻導熱填料等強化傳熱技術，均對材料本身的導熱性提出要求。而傳統航天導熱材料(如鋁、銅等)受材料自身導熱率和重量的局限，限制了上述熱控技術的使用范圍。如何適應航天熱控技術的發展需求，有效解決高熱流密度電子器件的散熱問題，對高導熱材料的研究帶來了新的挑戰。

2 高導熱材料概述

導熱是指物體各部分之間不發生相對位移，依靠微觀粒子熱運動而產生的熱能傳遞。傅里葉導熱定律(Fourier’s Law)是在宏觀層面上描述熱傳導的規律，定義熱導率作為反映物質導熱能力的宏觀物理量，其數值取決于物質的種類和溫度等因素。若從微觀層面上來看，不同材料的導熱機理有所區別[1]。在固體的導熱中，“載流子”既可以是電子，也可以是聲子(即格波的傳播導熱)。在大多數金屬固體中，自由電子的運動在熱傳導中起著重要的作用。而在絕緣體、半導體材料中，聲子的熱傳導占主要部分[1]。對于復合材料來說，需要根據其組成成分來分析何種原理在熱傳導中占主導地位。在碳基復合材料中，聲子在熱傳導中有著重要的貢獻。經過Pop等[2]的計算，導熱非常好的金屬型炭材料的電子導熱對整體導熱的貢獻率小于15%。

對導熱材料的分類有很多種方式，但習慣上根據熱導率大小進行劃分，熱導率低的材料一般稱為絕緣材料，又稱隔熱材料或絕熱材料；而熱導率高的材料可以稱為導熱材料。郭全貴等[3]參照常溫下典型金屬材料(銅、鋁等)的熱導率，定義熱導率在200 W·m-1·K-1以上的材料為高導熱材料。此外，導熱材料還有各向同性和各向異性的區別，分別適應不同的應用需求。

圖1及表1分別比較了部分常用高導熱材料和新型高導熱材料的熱物性參數[4, 5]，鋁基碳化硅、金剛石/銅以及金剛石碳化硅等復合材料均具有良好的熱性能。為了更好地推動高導熱材料的工程應用，各國科研人員就高導熱材料的制備、性能分析以及功能化實現進行了多方面研究和實驗，開發出了諸多性能優異的高導熱復合材料，以適應各類熱管理應用場合。

圖1 熱管理用材料的熱性能對比[4]Fig.1 Thermal properties of thermal management materials[4]

High thermal conductivity materialsThermal conductivity/(W·m-1·K-1)Coefficient of thermal expansion/(×10-6 K-1)Density/(g·cm-3)Aluminum218232.7Copper400178.9Cu/Mo/Cu250～2809.09.0Si/CSi/C/AlSi/C/Cu250150～254222～3203.78～147～143.22.6～2.86.6Natural Graphite150～500-1.02.25K-1100900～1100-1.62.2Diamond22001.03.5Diamond/CuDiamond/Al400～1200350～6704～77～96.03Carbon400-1.01.9Continuous CFs700～750-0.51.8

2.1 金屬基復合材料

金屬基復合材料(metal-matrix composites，MMC)受增強體填料的形狀影響，具有多種復合構型。顆粒復合結構通過將增強體顆粒彌散分布于基體材料中實現復合材料的熱物理性能的各項同性，以其獨特的特點，成為了最常見的復合構型，應用也較為廣泛。目前，對Al2O3顆粒強化銅基復合材料的研究已經較為系統，其在汽車行業制作電焊電極時獲得普遍應用[6]。

碳化硅顆粒具有相對低的熱膨脹系數(4.7×10-6K-1)，可以通過控制碳化硅的含量調節復合材料的膨脹系數，各國研究人員開展了許多有關碳化硅鋁基復合材料的研究[7]。2007年，國內公司已開始投產亞洲第一條碳化硅鋁基復合材料的生產流水線[8]，加速了我國碳化硅鋁基復合材料的生產應用。以應用需求為牽引，崔巖等[9]通過改善工藝，研制出導熱系數高達252 W·m-1·K-1、熱膨脹系數僅為7.8×10-6K-1的多功能碳化硅鋁基復合材料。此外，高帥等[10]在制備Cu/Sc2W3O12復合材料時，通過真空熱壓燒結制備的材料熱導率為208 W·m-1·K-1，對應的熱膨脹系數為9.96×10-6K-1；在嘗試使用碳化硅納米顆粒作為第二增強相制備復合材料時，所得復合材料的熱膨脹系數降到7.12×10-6K-1，熱導率提高到230.6 W·m-1·K-1。

碳纖維由于具有低密度、高比強度以及耐高溫和化學穩定性好等特點，也常作為一種增強體用于金屬基復合材料的制備，可以在保證上述優點的同時有效提高復合材料的熱導率。早期碳纖維與銅復合后，由于不同材料存在的界面以及碳纖維材料的特殊結構，復合材料難以達到預期的導熱性能和機械性能。研究表明[11, 12]，合適的界面設計以及合理地選擇顆粒填料可以優化復合材料的空間構型，從而減小界面熱阻并增強力學性能。Liu等[11]通過改善短切石墨纖維與鋁基體之間的界面熱阻，將復合材料的熱導率提高了78%，使得復合材料的熱導率由117提升至 208 W·m-1·K-1。周聰等[12]在石墨-鋁復合材料中添加硅顆粒，優化了復合材料的空間結構，得到的復合材料在x、y方向上導熱系數高達526 W·m-1·K-1；并嘗試使用金剛石替代硅顆粒，使得復合材料的熱導率進一步提升至630 W·m-1·K-1。

雖然碳纖維金屬基復合材料有著諸多優異的性能，且具有優良的可加工性，但仍然存在一些顯著的缺點。考慮到熱管理的實際需求，熱管理器件(如熱沉)必須具備：平面上的熱膨脹系數要與接觸的散熱器件熱膨脹系數匹配，在接觸面法線方向上需要有足夠的導熱能力將熱量及時地擴散出去，并且能夠盡可能地降低熱管理材料與散熱器件的熱應力，保證系統運行的穩定性、可靠性[4]。碳纖維金屬基復合材料以及改良后的碳纖維金屬基復合材料有著一維甚至二維上的高熱導率和低膨脹率，在縱向方向上的熱導率并不理想，因而只適用于特殊場合，如對均溫需求很高但散熱需求不是很苛刻的情況。其次，在高導熱金屬基復合材料設計過程中，需要考慮到石墨材料、復合材料構型以及界面尺度，而目前關于復合材料微觀結構與宏觀性能之間關系的理論認識缺乏深入研究，難以利用模型來預測其熱導率，進一步阻礙了碳纖維金屬基復合材料的應用[12]。

2.2 金剛石及其復合材料

金剛石是熱導率最高的天然材料，室溫下最高可達到2000 W·m-1·K-1，熱膨脹系數較低僅為0.8×10-6K-1[13]。近幾年來，人工合成的金剛石品質已能滿足應用所需的要求，成本也在可接受范圍內。在新型的高導熱材料領域內，越來越多的科研機構和研究人員開始關注金剛石金屬基復合材料的研究[13]。20世紀90年代初，美國、日本等發達國家開始進行金剛石金屬基導熱復合材料的相關研究，但初期的研究成果并不理想，制備的復合材料熱導率無法達到理論預期值，甚至比相應的金屬熱導率還低[14]。導致這種現象出現的主要原因是金剛石銅界面結合不良。金剛石和銅之間的潤濕性極差，既不能形成固溶體，也不能形成碳化物，二者之間為簡單的機械結合，界面存在孔洞、空隙[15]。國內外研究人員通過在金剛石表面預鍍碳化物形成元素或對銅基體預合金化，來修飾復合材料界面，提高金剛石/銅復合材料的熱導率，如表2所示。

近幾年來，國內對金剛石金屬基復合材料的研究由最初的材料制備和結構優化，到如今逐漸加強了在電子材料封裝領域的應用研究。特殊燒結工藝的使用，可使得金剛石顆粒與金屬基體更加充分地融合，減小界面間的空隙，在很大程度上縮小界面熱阻，提高復合材料的熱導率。張超等[30]依靠高壓氣體輔助熔滲技術，制得熱導率達到750 W·m-1·K-1以上的金剛石/鋁復合材料，同時實現了大尺寸復雜形狀金剛石/鋁復合材料散熱部件的生產，為解決不同領域散熱的共性問題提供了核心解決方案。劉楠等[31]利用真空熱壓熔滲技術制備金剛石/銅基復合材料，熱導率可以達到462 W·m-1·K-1。此外，通過對金剛石表面進行改性處理，使其與金屬形成良好的界面結合，也可使復合材料的熱導率有所提高。鄒煌輝等[32]通過還原鐵粉和鎳粉對金剛石粉體表面進行改性，得到了熱導率為 423 W·m-1·K-1的金剛石-石墨烯納米墻/鋁復合材料，而采用硼和硅改性得到熱導率最優值分別達到了474和501 W·m-1·K-1的金剛石-硼/銅復合材料和金剛石-硅/銅復合材料。馬洪兵等[33]對金剛石進行硼化處理，制得了熱導率高達560 W·m-1·K-1、密度為 3.2 g·cm-3、熱膨脹系數僅為 8.2×10-6K-1的金剛石/鋁復合材料。季興橋等[34]通過對金剛石/銅表面前處理的多方嘗試，使其鍍金層覆蓋率達到100%，鍍層結合力和可焊性均滿足軍標要求，可以更好地應用于電子器件的封裝。經過多方研究表明[35]，通過表面改性工藝和特殊燒結技術，可以大幅提高金剛石/銅基復合材料導熱性能，可使其熱導率高達600 W·m-1·K-1。為了進一步推動金剛石金屬基復合材料的工程化應用，需繼續進行工藝優化和導熱機理研究。

表2 部分金剛石金屬基復合材料的傳熱性能[16-29]

2.3 高導熱石墨材料

炭材料因為具有耐高溫、耐腐蝕、自潤滑、高導熱及良好的導電性等優越性能，已經在航天、軍工以及許多民用工業領域得到了廣泛應用[36]。在常溫下，單層石墨(石墨烯)層面方向理論上的熱導率可達2000 W·m-1·K-1[37]，而目前常見的石墨材料多屬于多晶無規取向材料，熱導率較低僅為70～150 W·m-1·K-1[38]。因此高定向石墨的研究及其應用已經成為研究熱點，起初通過熱解法制得高定向石墨，因此也稱為高定向熱解石墨。20世紀70年代初，相關科研人員通過將高定向有機高分子(如聚酰亞胺等)在惰性氣氛下加壓炭化，并在2800～3200 ℃進行石墨化處理后，成功制得高結晶度石墨膜[5]，與高定向熱解石墨一樣具有優異的傳熱性能。

20世紀90年代，日本科學家Murakami等[39]以高定向的聚酰亞胺薄膜為原料，制得了塊狀石墨材料，熱導率高達400～800 W·m-1·K-1。在此基礎上，國內研究人員也開始進行多方面的研究。李海英等[40]通過雙向拉伸聚酰亞胺薄膜層，制備了計算熱導率可達1 000 W·m-1·K-1的高取向石墨材料。李璐等[41]發明了一種基于氧化石墨烯制備高定向石墨膜的方法，采用此方法得到的石墨膜熱導率高達900 W·m-1·K-1。孫賢賢等[42]制得厚度可以控制、石墨高度定向分布的樣品，其內熱導率可以達到2400 W·m-1·K-1。2013年于慶先等[43]制得柔性高定向石墨導熱材料，其導熱系數為300～1000 W·m-1·K-1，可與多種金屬與非金屬材料復合。柔性高導熱石墨薄膜一般用于高功率器件的散熱及控溫，適用于有熱量排散及溫度均勻性要求的儀器設備，對比現有的金屬基擴熱板，其在強化導熱及減重方面有明顯優勢。

石墨化是制取高定向石墨材料的重要環節，為了提高基體材料的石墨化度，會在炭材料里添加一些催化粒子，如B，Si，Zr，Ti等元素。近幾年研究發現[44]，材料、摻雜劑以及熱壓溫度等條件都會影響石墨材料的傳熱性能。盡管高定向石墨材料具備良好的熱物理性能，然而在力學方面存在著一些問題亟待解決，柔性高導熱石墨膜也存在厚度和尺寸有限、層間導熱率低等問題，難以大面積使用。此外，現有的石墨膜產品一般采用膠粘的方式與熱源器件底板集成，造成控溫界面熱阻較大，且不適用于高溫條件。因此，雖然泡沫炭、柔性石墨以及石墨烯[45]等新型的炭材料均具有良好熱物理性能，但是需要根據材料本身的特點合理地應用于熱控系統。

2.4 高導熱C/C復合材料

常用高導熱C/C復合材料是以炭為基體與碳纖維增強體組成的混合物，在C/C復合材料中增強相碳纖維是熱量傳遞的重要通道[46]，此外碳纖維本身的熱導率及其在復合過程的取向、分布、填充率都會對制得的C/C復合材料的熱導率產生巨大的影響。目前國外生產的高導熱C/C復合材料的熱導率在室溫下能夠達到[47]：一維600～800 W·m-1·K-1，二維300～500 W·m-1·K-1，三維200～400 W·m-1·K-1。C/C復合材料由于具備低密度、耐磨損、高強度、高熱導率等優異性能成為多個領域的研究熱點，在對性能和減重要求較高的工程中具有良好的應用前景，已經在軍工、電子、航天航空等領域得到實際應用。

中間相瀝青經熔融后在外力作用下可以高度取向排列，可以制得高度取向的瀝青纖維(mesophase pitch carbon fiber， MPCF)，其具有良好的軸向熱導率，也是作為基體碳前驅體的理想選擇。樊楨等[48]研究了中間相瀝青碳結構取向的優化調控方法，發現可通過延長炭化時間、高壓炭化、石墨化處理等手段得到制備高導熱C/C復合材料的最佳基體碳前驅體。此外，結合材料結構設計，進一步提出了高導熱C/C復合材料的制備工藝。張賢等[49]通過捆綁工藝制得密度為1.8 g·cm-3、沿纖維軸向熱導率可超過700 W·m-1·K-1的C/C復合材料。李游等[50]研究發現碳納米管的添加會使得C/C復合材料的孔隙率下降和體積密度上升，可以提高其力學性能和導熱性能，抗彎強度為113.4 MPa、軸向熱導率558.8 W·m-1·K-1、徑向熱導率50.8 W·m-1·K-1。毛小飛等[51]制得的4種樣品中，中間相瀝青復合材料導熱性能最好，熱導率為441 W·m-1·K-1。但是國內C/C復合材料的起步比較晚，高質量的中間瀝青相無法做到低成本、批量化生產，原材料依賴于進口[5]，因此需要對中間相瀝青的制備進行相關工藝研究。

3 航天領域導熱材料應用

在航天器熱控系統中，導熱材料廣泛用于需要強化熱傳導的儀器設備，起到器件散熱、設備均溫化、廢熱傳輸以及降低接觸熱阻等功能。不同應用需求對熱管理材料的熱導率、熱膨脹系數、耐高低溫、工質相容性、密度、力學性能及可加工性等性能提出不同要求。以下介紹幾類高導熱材料在航天熱管理領域內的應用。

3.1 金屬基復合材料殼體

銅、鋁等金屬材料及其合金，因具有較好的導熱性能和一定的力學強度，在航天領域廣泛用作擴熱板、熱沉、熱管殼體材料以及電子設備的封裝材料。而金屬基復合材料可以在保留金屬材料導熱和力學性能的同時，通過顆粒、晶須或纖維等增強體，進一步改善并調控材料的力學強度、熱導率、熱膨脹系數、耐磨性、密度及耐溫范圍等參數，使其可以替代金屬用作散熱板、散熱片、熱沉、冷板、封裝殼體等熱管理器件的殼體材料。

從20世紀80年代開始，國外對碳化硅復合材料的研究已步入實用階段，近幾年國內也加緊了對碳化硅/鋁復合材料的研究和生產應用。碳化硅/鋁復合材料具有導熱系數高、膨脹系數低、密度低等優點，已用于器件封裝殼體、儀器支撐架等航天器結構件，成功解決了某些特殊載荷的散熱及微變形需求。圖2所示為鋁基碳化硅復合材料制備的T/R組件封裝外殼[52]。需要注意的是，復合材料使用時如果存在固液或氣固界面，需要考慮材料與流體工質的相容性，以免發生腐蝕反應。

圖2 化學鍍鎳的鋁基碳化硅復合材料制備的T/R組件封裝外殼[52]Fig.2 Nickel-plated SiC/Al composites housing for T/R modules [52]

3.2 電子封裝復合材料

隨著航天器功能的日益復雜、電子器件集成度及功率逐步提高，亟需解決高功率密度電子芯片的散熱問題。針對電子芯片結溫過高導致的器件失效，除增強封裝材料本身的導熱性能外，還需要解決芯片與封裝材料之間的熱膨脹系數匹配問題。金屬基復合材料作為高功率芯片封裝材料或散熱熱沉，可以滿足芯片封裝材料高導熱、低膨脹的需求，因而受到半導體行業廣泛關注。銅基和鋁基復合材料可以通過SiC、BeO、碳纖維、金剛石等增強體來調節其熱導率及熱膨脹系數，實現與Si、GaAs或GaN等半導體芯片的膨脹系數匹配[53]。在航天器材料減重方面，鋁基復合材料具有明顯優勢。研究發現使用碳化硅/鋁復合材料進行電子器件封裝，可起到減重效果，提高可靠性[54]。雖然碳化硅/鋁復合材料作為電子芯片封裝材料性能優異，但其本身熱導率難以滿足更高功率的散熱需求，且加工和焊接困難，需進一步研究其覆鋁工藝以滿足其低熱阻集成需求。

3.3 C/C復合材料面板

由于C/C復合材料輕質、高導熱及良好的力學強度等特性，可以用于航天導熱需求下的蜂窩板或輻射器面板。傳統蜂窩板一般由蒙皮、蜂窩結構及內嵌的預埋件組成，材料為鋁合金，可用于航天器結構板或輻射器面板。采用高導熱的C/C復合材料蒙皮代替鋁蒙皮，可以在減輕結構重量的同時，增加面板的導熱能力和力學強度。美國NASA設計研制了C/C復合材料蜂窩板用于EO-1航天器的輻射面板，如圖3[55]所示。其結構由C/C復合材料蒙皮、鋁蜂窩結構及預埋件組成，外部涂覆銀-特氟龍涂層。

圖3 用于EO-1航天器上的C/C復合材料輻射板[55]Fig.3 C/C composite radiator for the EO-1 spacecraft[55]

除C/C蜂窩板式輻射器外，美國NASA還為SP-100和JIMO計劃等核動力系統研制了C/C翅片式熱管輻射器，如圖4[56]所示。其中熱管翅片作為輻射面板，其材料為T300 C-C復合材料，單位面積質量約2.1 kg·m-2，復合材料面板與熱管之間采用釬焊工藝集成，并在400～450 K溫度下進行了測試。采用此類復合材料研制的大型展開式熱管輻射器，具有良好的耐高溫特性及顯著的減重效果，可用于核動力航天器數十千瓦乃至百千瓦量級廢熱排散，有效節省輻射散熱系統體積和重量。

圖4 用于輕質空間動力系統的高導熱C/C復合材料熱管輻射器[56]Fig.4 High conductivity C/C composite heat pipes for light weight space power system radiators[56]

在空間環境中，外熱流變化劇烈，高低溫交變產生的應力可能導致復合材料面板變形或界面開裂。因此，C/C復合材料用作蜂窩板或輻射器面板，必須考慮復合材料蒙皮與蜂窩結構材料的熱膨脹系數匹配設計及界面集成工藝，在降低界面熱阻的同時，提高器件空間環境適應性。

3.4 高導熱泡沫炭材料

航天工程中針對周期性工作或瞬時發熱設備的熱管理，常使用相變儲能裝置實現熱量存儲和溫度控制[57]。常用的中低溫相變材料(如石蠟)和高溫相變材料(硅、硼等)通常熱導率都較低，需要通過設計儲能裝置的結構來強化導熱[57]。而高導熱泡沫炭是一種石墨化多孔炭材料，其密度非常小僅為0.2～0.6g·cm-3，其壁結構與理想石墨結構接近，熱導率最高可達1200 W·m-1·K-1。因為高導熱泡沫炭擁有天然的孔狀結構，所以可被用作多孔材料，工質可在孔中進行強制對流。此外，用作多孔熱沉材料時還可以利用孔對流和壁傳導兩種熱傳遞方式更為有效地進行散熱[58]。相對于一般炭(石墨)材料而言，泡沫炭具有各項同性的力學、熱學和電學性能[59]，結合其輕質、易加工等特性在很多領域都大有應用前景。在航天熱控領域，利用泡沫炭的特殊毛細結構及輕質、高導熱特性，可以用作相變儲能裝置的導熱填料。在相變板或相變儲能換熱器中嵌入高導熱泡沫炭作為骨架，并在其中填充相變材料，利用泡沫炭的高熱導率可以提升相變材料的傳熱速率，改進相變儲能裝置的能效比。

4 結 語

綜上所述，銅、鋁金屬基復合材料、金剛石復合材料、高導熱泡沫炭和石墨烯以及高導熱C/C復合材料的設計和制備，在航天熱控中有著很大的潛在應用前景，主要分為以下幾方面：

1)碳化硅/鋁基復合材料有望用來替代鎢銅材料進行航天器上電子器件的封裝；

2)超輕質的泡沫炭結構可用于高導熱換熱器件的骨架材料，亦可在熱管中替代絲網等結構提供毛細力強化沸騰換熱；

3)石墨烯超高導熱柔性薄膜可直接用于高功率電子器件上，來增強關鍵儀器的工作性能，提高其熱管理系統的穩定性和可靠性。金剛石/銅基材料適用于現代衛星通信、移動通信、雷達、電子戰領域的微波固態功率放大器的封裝材料；

4)高導熱C/C-鋁復合結構可用于空間遙測儀器上，而高質量的中間瀝青相C/C復合材料，同時具備良好的導熱性能和力學強度，可廣泛用于衛星電子裝置散熱板、印刷電路襯板等場合。

因此，為了滿足航天熱控技術的需求，需要相關新材料科研機構的支持，從實際需求出發，注重高性能材料的研發。此外，國家相關部門應盡早制定有效地研發計劃，合理地調動多方資源，做到知行合一，以應用需求帶動研究開發，形成以航天熱管理需求為主體、高校科研單位為研究載體、企業為制備工藝生產端的高導熱復合材料研發團體。在研究深度和廣度上縮小與世界先進發展水平的差距，甚至實現彎道超車。應加大對相關領域的投資力度，盡早實現高導熱材料的技術突破，以滿足航天國防領域的迫切需求。