中國粉體網(wǎng)訊 在當今科技高速發(fā)展的時代，熱管理問題成為眾多領域面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一。從電子設備的散熱需求到功能性服裝的溫度調節(jié)，從航空航天的熱防護到新能源領域的熱傳導優(yōu)化，高導熱纖維以其獨特的性能和廣泛的應用前景，逐漸成為研究和產(chǎn)業(yè)界的焦點。
伴隨航空航天、電子芯片、人工智能等領域的高速發(fā)展，高功率均熱、散熱的應用需求對高導熱材料提出了越來越高的要求。高導熱纖維，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)異的高導熱能力，還兼具高力學強度、定向導熱特性、可編織性，是實現(xiàn)高功率散熱應用的結構功能一體化理想材料。
高導熱纖維的發(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, 通常采用熔融紡絲法制備中間相瀝青基碳纖維。在熔融紡絲過程中, 前驅體在惰性氣體條件下被加熱至熔融狀態(tài), 然后通過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)的高導熱(2000Wm−1K−1)絕緣物質，有著和石墨烯類似的蜂窩狀原子結構，也被稱為“白色石墨烯”。
氮化硼纖維作為一種獨特的高絕緣、高導熱纖維材料，在高功率芯片導熱和封裝材料領域展現(xiàn)出了巨大的應用前景。然而，氮化硼纖維的制備過程復雜，目前仍存在一些技術難題，如單晶生長和長纖維的制備。此外，規(guī)�；苽潆y度大，使得市場上供應的氮化硼纖維數(shù)量有限, 難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)和應用的需求�；诖�，未來的研究和開發(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，具有超高的機械強度，而且其熱導率可以達到3500Wm−1K−1。碳納米管纖維是以碳納米管為組裝單元構建而成的宏觀材料，碳納米管纖維由數(shù)百萬個平行排列的碳納米管組成。碳納米管纖維發(fā)展的關鍵是實現(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)模應用于纖維制備。
干濕法紡絲是將干法與濕法結合起來的一種溶液紡絲方法，也稱干噴濕紡。干濕法紡絲時，紡絲溶液從噴絲頭壓出后，先經(jīng)過一段時間，然后進入凝固浴，因此也有人把這種方法稱為氣隙紡絲(Air Gap Spinining)。從凝固浴中導出的初生纖維的后處理過程，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程示意圖
碳納米管纖維在呈現(xiàn)出優(yōu)異熱導率的同時，還能兼顧出色的力學強度和可編織性。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能力和纖維柔性，能有效彌補瀝青基碳纖維在編織及復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，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，其熱導率達到5300Wm−1K−1。石墨烯的高導熱特性主要由內(nèi)部聲子傳熱貢獻，平面內(nèi)由強化學鍵構成而促進聲子傳導，使得石墨烯在平面方向上具有高熱導率。石墨烯纖維兼具良好的力學、熱學性能，可借助濕法紡絲技術大量制備，實現(xiàn)規(guī)�；苽�。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)過過濾器，在噴絲口處均勻定量的注入到凝固浴中，在雙擴散機制的作用下原液細流在凝固浴中凝固成型得到初生絲條。之后進行一定程度的牽伸處理，經(jīng)過一次或者多次的洗滌槽，進一步固化，初步形成GO纖維。后續(xù)經(jīng)過干燥箱干燥去除溶劑以及高溫燒結等工藝得到成品石墨烯纖維，最后進行卷繞收集。
石墨烯纖維的濕法紡制工藝
高導熱纖維的特性
1. 優(yōu)異的導熱性能：高導熱纖維最顯著的特性就是其卓越的導熱能力。與傳統(tǒng)纖維相比，高導熱纖維能夠更快速地傳遞熱量，有效地降低局部溫度，提高熱傳導效率。這一特性使得高導熱纖維在散熱、熱傳導等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。
2. 良好的力學性能：除了導熱性能外，高導熱纖維通常還具有良好的力學性能，如高強度、高韌性和耐磨性等。這使得高導熱纖維在實際應用中不僅能夠有效地傳遞熱量，還能承受一定的機械應力，保證其在各種復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。
3. 輕質靈活：高導熱纖維通常具有較輕的質量和良好的柔韌性，可以根據(jù)不同的需求進行編織、織造或復合，制成各種形狀和結構的材料。這種輕質靈活的特點使得高導熱纖維在一些對重量和空間有嚴格要求的領域，如航空航天、電子設備等，具有不可替代的優(yōu)勢。
4. 化學穩(wěn)定性：高導熱纖維一般具有較好的化學穩(wěn)定性，能夠在不同的化學環(huán)境下保持其性能穩(wěn)定。這使得高導熱纖維可以在各種惡劣的工作條件下應用，如高溫、高壓、腐蝕性環(huán)境等。
高導熱纖維的應用領域
1. 電子設備散熱：隨著電子設備的性能不斷提高，其散熱問題也日益突出。高導熱纖維可以作為散熱材料，應用于電子設備的散熱器、散熱片等部件中，有效地提高電子設備的散熱效率，降低工作溫度，延長設備的使用壽命。
2. 功能性服裝：高導熱纖維可以應用于功能性服裝中，如運動服裝、戶外服裝等，實現(xiàn)對人體溫度的調節(jié)。在寒冷的環(huán)境中，高導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相對穩(wěn)定的狀態(tài)，減少熱量在服裝內(nèi)部的積聚，從而避免因過熱而導致出汗，進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，高導熱纖維可以將外界的熱量快速傳遞到人體表面，通過汗液蒸發(fā)等方式散熱，保持身體涼爽。
3. 航空航天：在航空航天領域，高導熱纖維可以作為熱防護材料，應用于飛行器的外殼、發(fā)動機等部件中，有效地降低飛行器在高速飛行過程中產(chǎn)生的熱量，提高飛行器的安全性和可靠性。此外，高導熱纖維還可以應用于航空航天領域的電子設備散熱、衛(wèi)星熱控等方面。
4. 新能源領域：在新能源領域，高導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，高導熱纖維還可以應用于太陽能電池、燃料電池等新能源設備的熱管理中，提高設備的性能和穩(wěn)定性。
高導熱纖維的未來發(fā)展趨勢
1. 高性能化：隨著科技的不斷進步，對高導熱纖維的性能要求也將越來越高。未來，高導熱纖維將朝著更高的導熱系數(shù)、更好的力學性能、更高的化學穩(wěn)定性等方向發(fā)展，以滿足不同領域對熱管理的更高需求。
2. 多功能化：除了導熱性能外，高導熱纖維還可以具備其他功能，如導電、抗菌、防輻射等。未來，高導熱纖維將朝著多功能化的方向發(fā)展，通過復合不同的功能材料，實現(xiàn)多種功能的集成，為熱管理領域提供更加全面的解決方案。
3. 綠色環(huán)保：在環(huán)保意識日益增強的今天，綠色環(huán)保將成為高導熱纖維發(fā)展的重要趨勢。未來，高導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，減少對環(huán)境的污染。
4. 智能化：隨著智能化技術的不斷發(fā)展，高導熱纖維也將朝著智能化的方向發(fā)展。未來，高導熱纖維可以通過集成傳感器、控制器等智能元件，實現(xiàn)對熱傳導過程的實時監(jiān)測和控制，提高熱管理的效率和精度。
結語
高導熱纖維作為一種新型的熱管理材料，具有優(yōu)異的導熱性能、良好的力學性能、輕質靈活和化學穩(wěn)定性等特點。通過填充法、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熱纖維。高導熱纖維在電子設備散熱、功能性服裝、航空航天、新能源領域等方面具有廣泛的應用前景。未來，高導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，為熱管理領域帶來更多的創(chuàng)新和突破。
參考來源：
奚啟清等，高導熱纖維研究進展
夏洲，濕法紡制石墨烯纖維：工藝、結構、性能與智能應用
侯鵬翔等，干噴濕紡制備高導電雙壁碳納米管纖維
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