冷静飞行

冯雪 高翔 张育新

科技发展到今天，飞机、火箭等航天器已经成为航天探索中的重要组成部分，而它们的正常工作和安全飞行都离不开高导热材料。在航天器热控系统中，高导热材料主要用于为大功率元器件扩热与传输、设备均温扩热、结构等温化设计或作为机热一体化结构等，起着很重要的作用。

安全飞行，高导热材料不可少

高导热材料的定义是热导率在200W·m-1·K-1以上的材料。那么热导率又是什么呢？热导率又称导热系数，是指材料直接将热能由高温区域传递到低温区域的能力。从单位来理解，就是指单位温度降低的情况下，单位时间内通过单位面积所传导的热量。

目前研究的高导热材料种类太多，我们将它大致分一下类：

不同高导热材料的性能有差异

聚合物基导热材料

高分子聚合物具有良好的可塑性和绝缘性，且耐腐蚀，价格又低，但它的低热导率限制了其大规模应用，因此以聚合物为基体向其中填充氧化物或碳化物等材料增强其热导率，而填充物通常为颗粒状，接触面积大。

金属基导热材料

金属虽然强度高、耐磨性好且易加工，但其导热率仍有待提升，所以科学家们也向其中填充碳化硅、碳纤维或金刚石等材料尝试增强其热导率。碳化硅颗粒具有较低的热膨胀系数，金刚石热膨胀系数则更低，且是热导率最高的天然材料，碳纤维则耐高温、抗摩擦、耐腐蚀。不同种类和状态的填充物，以及不同的金属，都影响复合材料的热导率，例如，碳化硅铝基复合材料热导率略超200W·m-1·K-1，而金刚石金属基材料热导率都高于400W·m-1·K-1。

碳基高导热材料

碳基导热材料导热系数高，性能稳定，热膨胀系数小、比重轻，是近年来最具发展前景的航天器热管理材料之一。常温下，单层石墨（石墨烯）层面方向理论上的热导率可达2000W·m-1·K-1，但市面上常见石墨材料热导率往往不到200W·m-1·K-1，这主要是由于石墨材料内部分子方向比较混乱所造成，于是，科学家们致力于研究高定向石墨材料。

柔性高导热石墨膜的制作方法就像制造快递盒中的气泡膜然后捏破，将大片单层石墨烯互相交叠，经高温热处理后，材料中的含氧基团释放出气体，在材料内部形成微气囊，最后降温并压成膜，使微气囊中的气体排出形成微褶皱。石墨膜可反复折叠6000次，弯曲10万次，解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的难题，可用于高功率器件的散熱及控温，适用于有热量排散及温度均匀性要求的仪器设备，其在强化导热及减重方面有明显优势。

C/C复合材料则具有低密度、耐磨损、高强度、高热导率的特点，适用于航空航天领域。

泡沫炭、柔性石墨以及石墨烯等新型炭材料均具有良好的热物理性能，但是需要根据材料本身的特点合理地应用于热控系统。

陶瓷高导热材料

陶瓷拥有常见工程材料中最高的硬度、耐高压和耐高温等诸多优点。其中，氮化铝、氮化硅和氧化锆等陶瓷具有优异的导热性能，陶瓷的本征热导率高，但是其制备和可加工性能较差，且陶瓷材料难以大尺寸制备，成本较高，因此严重限制了其大规模应用。高导热系数陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主。高导热率陶瓷材料是高密度集成电路基板和封装的理想材料。

高导热材料用在哪儿

聚合物基导热材料

具有最好的发展前景，相关研究非常全面，应用范围也很广，部分复合材料的导热性能已经达到了原材料的十倍以上。

碳化硅/铝基复合材料

航天器上电子器件的封装。

金刚石/铜基材料

现代卫星通信、移动通信、雷达、电子战领域的微波固态功率，也可应用于航空航天通信方面。

超轻质的泡沫炭结构

高导热换热器件的骨架材料，也可在热管中替代丝网等结构。

石墨烯超高导热柔性薄膜

用于高功率电子器件上，来增强关键仪器的工作性能，提高其热管理系统的稳定性和可靠性。

高导热C/C铝复合结构

用于空间遥测仪器上，而高质量的C/C复合材料同时具备良好的导热性能和力学强度，可广泛用于卫星电子装置散热板、印刷电路衬板等场合。

读了我们对高导热材料的介绍，你有没有发现一些频繁出现的词呢？比如热膨胀系数、强度、耐磨性、腐蚀性、绝缘性。用于航空航天的材料不容忽视，特别的环境致使选取的材料必须具有一些特性，如耐老化腐蚀、适应空间、寿命长、安全性能高和耐高低温等。毕竟一失足成千古恨，对材料的精挑细选和改造是至关重要的。

从航天工业发展之初，就有许许多多的科学家不断寻找合适的材料，探索更有效的复合方式，可以说，一架安全的航天器的诞生，背后是千千万万人的努力，他们就如繁星围绕皎月，光芒可能微弱，但正是这微弱的光芒组成了美丽的星河。