冷靜飛行

馮雪 高翔 張育新

科技發展到今天，飛機、火箭等航天器已經成為航天探索中的重要組成部分，而它們的正常工作和安全飛行都離不開高導熱材料。在航天器熱控系統中，高導熱材料主要用于為大功率元器件擴熱與傳輸、設備均溫擴熱、結構等溫化設計或作為機熱一體化結構等，起著很重要的作用。

安全飛行，高導熱材料不可少

高導熱材料的定義是熱導率在200W·m-1·K-1以上的材料。那么熱導率又是什么呢？熱導率又稱導熱系數，是指材料直接將熱能由高溫區域傳遞到低溫區域的能力。從單位來理解，就是指單位溫度降低的情況下，單位時間內通過單位面積所傳導的熱量。

目前研究的高導熱材料種類太多，我們將它大致分一下類：

不同高導熱材料的性能有差異

聚合物基導熱材料

高分子聚合物具有良好的可塑性和絕緣性，且耐腐蝕，價格又低，但它的低熱導率限制了其大規模應用，因此以聚合物為基體向其中填充氧化物或碳化物等材料增強其熱導率，而填充物通常為顆粒狀，接觸面積大。

金屬基導熱材料

金屬雖然強度高、耐磨性好且易加工，但其導熱率仍有待提升，所以科學家們也向其中填充碳化硅、碳纖維或金剛石等材料嘗試增強其熱導率。碳化硅顆粒具有較低的熱膨脹系數，金剛石熱膨脹系數則更低，且是熱導率最高的天然材料，碳纖維則耐高溫、抗摩擦、耐腐蝕。不同種類和狀態的填充物，以及不同的金屬，都影響復合材料的熱導率，例如，碳化硅鋁基復合材料熱導率略超200W·m-1·K-1，而金剛石金屬基材料熱導率都高于400W·m-1·K-1。

碳基高導熱材料

碳基導熱材料導熱系數高，性能穩定，熱膨脹系數小、比重輕，是近年來最具發展前景的航天器熱管理材料之一。常溫下，單層石墨（石墨烯）層面方向理論上的熱導率可達2000W·m-1·K-1，但市面上常見石墨材料熱導率往往不到200W·m-1·K-1，這主要是由于石墨材料內部分子方向比較混亂所造成，于是，科學家們致力于研究高定向石墨材料。

柔性高導熱石墨膜的制作方法就像制造快遞盒中的氣泡膜然后捏破，將大片單層石墨烯互相交疊，經高溫熱處理后，材料中的含氧基團釋放出氣體，在材料內部形成微氣囊，最后降溫并壓成膜，使微氣囊中的氣體排出形成微褶皺。石墨膜可反復折疊6000次，彎曲10萬次，解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的難題，可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，其在強化導熱及減重方面有明顯優勢。

C/C復合材料則具有低密度、耐磨損、高強度、高熱導率的特點，適用于航空航天領域。

泡沫炭、柔性石墨以及石墨烯等新型炭材料均具有良好的熱物理性能，但是需要根據材料本身的特點合理地應用于熱控系統。

陶瓷高導熱材料

陶瓷擁有常見工程材料中最高的硬度、耐高壓和耐高溫等諸多優點。其中，氮化鋁、氮化硅和氧化鋯等陶瓷具有優異的導熱性能，陶瓷的本征熱導率高，但是其制備和可加工性能較差，且陶瓷材料難以大尺寸制備，成本較高，因此嚴重限制了其大規模應用。高導熱系數陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主。高導熱率陶瓷材料是高密度集成電路基板和封裝的理想材料。

高導熱材料用在哪兒

聚合物基導熱材料

具有最好的發展前景，相關研究非常全面，應用范圍也很廣，部分復合材料的導熱性能已經達到了原材料的十倍以上。

碳化硅/鋁基復合材料

航天器上電子器件的封裝。

金剛石/銅基材料

現代衛星通信、移動通信、雷達、電子戰領域的微波固態功率，也可應用于航空航天通信方面。

超輕質的泡沫炭結構

高導熱換熱器件的骨架材料，也可在熱管中替代絲網等結構。

石墨烯超高導熱柔性薄膜

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。

高導熱C/C鋁復合結構

用于空間遙測儀器上，而高質量的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。

讀了我們對高導熱材料的介紹，你有沒有發現一些頻繁出現的詞呢？比如熱膨脹系數、強度、耐磨性、腐蝕性、絕緣性。用于航空航天的材料不容忽視，特別的環境致使選取的材料必須具有一些特性，如耐老化腐蝕、適應空間、壽命長、安全性能高和耐高低溫等。畢竟一失足成千古恨，對材料的精挑細選和改造是至關重要的。

從航天工業發展之初，就有許許多多的科學家不斷尋找合適的材料，探索更有效的復合方式，可以說，一架安全的航天器的誕生，背后是千千萬萬人的努力，他們就如繁星圍繞皎月，光芒可能微弱，但正是這微弱的光芒組成了美麗的星河。