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高导热中间相沥青基碳纤维在5G领域的应用

2020-04-16 10:46:03 admin 35

核心提示:5G作为高速高功率通信技术,对导热要求极为苛刻,传统导热方案已经无法满足要求,新的导热技术必须有质的变化才能应对如此复杂的 

5G作为高速高功率通信技术,对导热要求极为苛刻,传统导热方案已经无法满足要求,新的导热技术必须有质的变化才能应对如此复杂的过热环境。尤其是芯片等核心部件,为实现与5G相匹配的运行处理能力,必须时刻保持“冷静”,对导热方案提出了新的要求。过去在航天工业领域得到重要应用的高导热中间相沥青基碳纤维,引起导热领域的广泛关注。其优异的可定向导热性能,正在颠覆传统的芯片散热解决方案,中间相沥青基碳纤维将成为解决5G领域导热问题的核心材料。   预计到2025年全球将有650万个5G基站,28亿5G用户,其中,中国基站将超过400万个,用户也将突破10亿。同时将带动大量手机、汽车、智能医疗系统、智能可穿戴设备、服务器和数据中心的生产或建设。5G成为通信技术行业颠覆性的革命,为整个产业链带来极大的发展机遇同时也提出了更苛刻的技术要求,尤其是对散热材料和电磁屏蔽材料的质量和数量需求将迅速增长。根据前瞻产业研究院预估,2018 年~2023年散热产业年复合增长率达8%,市场规模有望从2018年的1497亿元增长到2023年的2199亿元。根据BCC Research预测,全球EMI(电磁干扰)和RFI(射频干扰)屏蔽材料市场2020年预计将达到79亿美元,复合年均增长率(CAGR)5.6%。   中间相沥青是重质芳烃经过缩聚等一系列反应形成的,具有光学各向异性的稠环芳烃结构聚合物,是一种熔致液晶聚合物。中间相沥青经过熔融纺丝、氧化、碳化、石墨化等流程后成为中间相沥青基碳纤维。合成具有良好可纺性、高纯度的中间相沥青,是整个工艺链中的核心技术。平面分子结构的中间相沥青在纤维中沿纤维轴方向高度取向,在高温石墨化过程中,形成片层石墨微晶,是中间相沥青基碳纤维能够具有高模量、高导热、导电性、电磁屏蔽性能的结构基础。中间相沥青基碳纤维在航空航天、高端制造等领域有重要应用,作为关键战略材料,一直被美日两国垄断,产品对我国严格禁售,长期以来价格极其昂贵,也使民用产品对其望而却步。近年来,随着民用领域技术水平的发展,产品竞争日趋激烈化,对关键材料性能要求越来越高,中间相沥青基碳纤维逐渐受到广泛关注。

 
几种中间相沥青的典型分子结构   中间相沥青基碳纤维沿纤维轴向导热系数可达1100W/mK以上,是铝的四倍以上,铜的两倍以上。虽然目前一些纳米材料具有很高的理论导热系数,但实际应用中由于存在着在基体聚合物中难以分散、难以定向阵列、填充量受限等因素,很难做出高导热的尤其是定向的导热材料。以中间相沥青基碳纤维作为导热填料的复合材料,通过合理的设计导热系数可达30W/mK以上。   中间相沥青基短切纤维、磨碎纤维在聚合物基体中有良好的分散性能。不需要任何辅助手段,其本身就是以独立分散的粒状形态存在,并且填充工艺性好,不会引起体系粘稠度过高、弹性低、力学性能差等问题。良好的分散性对获得高导热性能非常重要。图1是某导热填料在分散状态和聚集状态填充时导热系数对比,可见,良好的分散性可以使导热系数提高一倍以上。   中间相沥青基碳纤维填充到高分子基体中时可以通过流场、电场、磁场等方式进行阵列定向,在特定方向达到极好的导热效果。当填料达到一定含量后,相同填料比例,取向性好的情况下导热系数是填料无序排列时导热系数的3倍以上。并且取向性对导热效果的影响远大于分散性,图2是不同填料组成的高分子导热材料导热系数对比。  

日本企业通过对中间相沥青基碳纤维的阵列定向制得的硅胶导热垫片,已经从最高10w/m·k的导热水平,提高到50w/m·k。这是颠覆性的提升,不仅是在5G应用领域,甚至是6G领域,也将是采取这种定向导热方案。目前看来,中间相沥青基碳纤维是综合性能非常优秀的定向导热材料。

 

在国内,一些通讯领域导热材料的先进企业,已经开始采用中间相沥青基碳纤维作为新一代导热材料,将中间相沥青基碳纤维定向阵列化,从而实现导热性能指标质的提升,目前已经量产导热系数达到25W/mK的柔性导热垫片。   vivo新品线上发布会推出iQOO 3 5G手机,在散热方面采用了碳纤维+VC液冷散热,以“超导碳纤维”和“液冷均热板”为主体。   三星Galaxy S20全系列,支持5G通信技术,散热方式采用vapor chamber均热板+石墨膜+铜箔+高导碳纤维垫片等。
  

手机的散热方案中,经常采用热管与导热片结合的方式,导热片作用于芯片部位,热管连接导热片将热量传导到其他区域进行散热。但金属热管有许多缺点,比如,(1)金属热管无法任意设计成所需形态,难以在电子设备狭小且不规则的空间内有效导热;(2)在热管的传热路径中不可避免的存在其他精密部件,而金属导热方向不可控,并且热膨胀系数大,势必影响其他部件的稳定性;(3)铜等金属虽然导热性能较好,但由于密度大,不符合电子产品轻薄化的发展趋势。   中间相沥青基碳纤维沿轴向具有优异的导热性能和极低的热膨胀系数,而径向方向导热系数较低,在导热性能上具有各向异性,由它制成的复合材料能够实现导热方向的可设计性,且重量轻,热膨胀系数低。以导热系数500W/mK的中间相沥青基碳纤维与环氧树脂结合形成的复合材料,沿纤维轴向导热系数可达300W/mK。   高导热中间相沥青基碳纤维复合材料和金属性能对比


已经有前瞻性研究将中间相沥青基碳纤维进行合理设计使其发挥热管的导热作用,解决热管在使用中的问题。国外某知名手机品牌已经计划采用“碳纤维液冷系统”让手机导热效能更好,长时间维持最佳运行状态。

中间相沥青基碳纤维在5G导热领域的应用,已经引起5G行业的广泛关注,未来5G对高导热中间相沥青基碳纤维的需求量将持续增加。   除了导热性能,在电磁屏蔽方面,中间相沥青基碳纤维同样表现突出。


屏蔽效能分级

 

中间相沥青基碳纤维通过合理的设计,电磁屏蔽效能SE值可达90db以上,同时具有质量轻、耐腐蚀、耐氧化、不易沉积、分散性好、可设计性强、电磁屏蔽效果可调、适用范围广等优势,是优秀的电磁屏蔽解决方案。   中间相沥青基碳纤维是发展我国宇航工业、高端装备制造业的关键战略材料。其高模量性能是满足卫星天线、飞行器高刚度面板、大型飞机机翼、机器人手臂、大型工业罗拉等装备精密高效运行的基础保障。其高导热性能是满足飞行器发动机冷却系统、导弹鼻锥体、电子产品热管理等领域高导热需求的不可多得的材料。其优异的电磁屏蔽性能是航天信息系统、民用电子产品电磁屏蔽防护的优秀材料。由于其在多领域的重要应用,日美对相关技术一直严格封锁,产品也对我国严格禁售,为推动我国相关产业的发展,提高产品竞争力,我国急需自主生产供应中间相沥青基碳纤维产品。   辽宁诺科碳材料有限公司经过十年的研发历程,目前已自主成功开发中间相沥青基碳纤维全流程生产技术,于2018年建成国内第一条中间相沥青基碳纤维生产线,产能20吨/年,从核心前驱体中间相沥青到关键设备、工艺,均为诺科独立研发。在前期理论研究、工艺研发、数据储备、运行经验积累的基础上,诺科已经开始筹备200吨/年中间相沥青基碳纤维项目。   疾风知劲草,多年研发的艰辛诺科从无退缩,中间相沥青基碳纤维的投产给了诺科人最大的鼓舞和信心。但越深入越敬畏,我们深知要取得中间相沥青基碳纤维在各应用领域的突破,还任重道远。不同的应用提出不同的性能要求,导热性能的不断提升、后处理工艺的不断优化、可设计性能的扩展、导热和电磁屏蔽性能的结合、模量与导热性能的协调、纤维与基体材料的最优配合,不断出现的新应用、新要求,促使我们时刻保持技术敏锐性,不断提高中间相沥青基碳纤维的综合性能,使产品更趋向于多样化、多层次化。我们也真诚希望与产业链上的同仁开展合作,共同探索中间相沥青基碳纤维应用中的关键问题,从原料性能到应用工艺逐步优化,共同促进我国中间相沥青基碳纤维复合材料产业的发展。