一文了解中间相沥青基碳纤维

中间相沥青基碳纤维是由中间相沥青经过熔融纺丝、预氧化、碳化、石墨化等工序而制成的特种纤维。沥青基碳纤维根据原料和工艺的不同又分为各向同性通用级沥青基碳纤维和各向异性又叫中间相沥青基碳纤维。 中间相沥青基碳纤维具有比模量高、比强度高、导热性能好、耐腐蚀、抗蠕变、热膨胀系数低、耐高温、电磁屏蔽等一系列优异性能，其中最突出的性能是高模量和高导热性，弹性模量能达到800GPa以上，导热系数能达到800w/m·K以上，甚至超过1000w/m·K。 中间相沥青基碳纤维结构特点 中间相沥青基碳纤维以重芳烃为原料，由于原料和工艺的特点，其微观结构也有独特性，原料芳烃分子通过缩聚形成大尺寸的平面芳香分子，之后形成平行堆积的中间相球体，再通过纺丝、牵伸使片层大分子沿纤维轴向取向排列。这种高度取向的片层结构更利于在后续处理中形成石墨微晶，更容易获得高模量、高导热性能。 材料性能 中间相沥青基碳纤维具有极高的弹性模量，是其他材料无法媲美的。为航天飞行器、大型飞机、机器人手臂、风电叶片、压力容器、工业辊轴、建筑补强等领域提供优异的材料保障，促进诸多高新技术的实现。 中间相沥青基碳纤维模量高，密度小，比模量远高于其他材料，在保证强度的同时，为轻量化提供最优可能。 中间相沥青基碳纤维可以具有极高的导热系数，能有效解决火箭喷嘴、飞行器发动机壳体、刹车系统、高密度集成电路、电车顶部集电器、工业换热器等部件的热转移问题，实现高效的热管理。 中间相沥青基碳纤维热膨胀系数趋近负数，能够保证相关部件在高温或温度变化频繁的苛刻环境中正常工作而本身形态及性能不发生改变。 中间相沥青基碳纤维具有合适的导电性能，可作为填料增加树脂的导电性，具有重量轻、易成型、电阻率可调等特点。 其他性能 中间相沥青基碳纤维具有耐高温、抗腐蚀、抗蠕变、抗疲劳等诸多优异性能，使其在高温、工业腐蚀性环境及受力冲击等情况下不受影响，保证运转稳定性。 结构特点 中间相沥青基碳纤维以重芳烃为原料，由于原料和工艺的特点，其微观结构也有独特性，原料芳烃分子通过缩聚形成大尺寸的平面芳香分子，之后形成平行堆积的中间相球体，再通过纺丝、牵伸使片层大分子沿纤维轴向取向排列。这种高度取向的片层结构更利于在后续处理中形成石墨微晶，更容易获得高模量、高导热性能。 使用沥青基碳纤维应用优势 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。 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。 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。 沥青基碳纤维具有其他材料无法媲美的高模量、高导热性能。 材料的力学性能一般表现为其拉伸强度、拉伸模量、尺寸稳定性等，对于一般工业应用来说，基础纤维增强材料即可满足要求，但是在空天飞行器、卫星、工业机器人、精密工业辊轴、压力容器、汽车轻量化等领域，高模量材料具有重要意义。例如大型飞机机翼，在起降过程中容易发生晃动，而中间相沥青基碳纤维模量极高，不易因气流及力的冲击而产生变形，不易晃动，使飞机在飞行过程中维持良好的稳定性。卫星天线为保证测量精度，在工作过程中不能发生形变，这就需要高模量材料，在美欧日合作共同进行的ALMA探测深宇宙项目中，在南美智力的深山里设置了80台直径12米的电磁波望远镜，天线主要结构材料是由沥青基碳纤维复合材料制造的。除此之外，在压力容器、工业辊轴、建筑领域的应用都是利用了中间相沥青基碳纤维高模量的特点。 中间相沥青基碳纤维，导热系数能达到800w/m·K以上，甚至超过1000w/m·K，远高于导热性能较好的金属铝、金属铜。有实验将沥青基碳纤维复合材料置于1000℃的火焰下，超过10min还未燃烧，而其他纤维复合材料在几十秒之内就燃烧起来了。因为沥青基碳纤维导热系数高，他能迅速散热使材料表面维持在较低温度。对于在极苛刻高温环境运行的空天飞行器来说具有重要意义。也是解决集成电路、芯片等电子产品的散热问题、飞机、轨道车辆刹车系统的散热问题的关键材料。 沥青基碳纤维的5大特性！ 日本石墨纤维Nippon Graphite Fiber (NGF)公司通过利用煤焦油中所含的浸渍沥青（中间相沥青）生产沥青基碳纤维。NGF生产沥青基碳纤维所需的浸渍沥青均来自于C-Chem Co., Ltd. 公司。

NGF公司能够生产从低模量 (55GPa) 到超高模量 (900GPa) 的各种碳纤维产品，商品牌号为GRANOC 。高模量特性对于需要高刚度和轻量化的应用非常有吸引力。 除了高模量和高刚度外，高导热性和低热膨胀是沥青基高模量碳纤维的独特特性。在所有类型碳纤维中，只有沥青基碳纤维能够达到 900 GPa 模量和 900 w/m K 热导率。 除了卫星航天器等高端领域，大功率电子系统和更小的电子元件对热管理的要求越来越高，有力推动了沥青基碳纤维发展。本文将详细介绍了NGF公司GRANOC沥青基碳纤维的典型优异特性，并与PAN基碳纤维特性进行了对比分析。 01.高模量 NGF公司生产的GRANOC碳纤维拉伸模量范围极广，可以从 55GPa 到 900GPa；碳纤维丝束规格涵盖了1K 到 12K 不同规格。GRANOC沥青碳纤维拉伸模量与PAN基碳纤维对比如下图所示： 高比模量是沥青基碳纤维最吸引人的特性之一。GRANOC 高模量碳纤维的比模量大约是钢和铝的七倍。而高模量纤维可以使复合材料具有更高的刚度和更轻的重量。 碳纤维具有负热膨胀系数 (CTE)，通过基体和碳纤维的设计可以实现具有零 CTE 的复合材料，尤其是拉伸模量超过 530GPa 的高模量碳纤维具有在织物和各向同性层压板中提供零 CTE 复合材料的优势。 高导热性也是沥青基高模量碳纤维的独特性能，工业上可以生产出热导率高达1200W/mk的沥青基碳纤维，这一特性使其已被用于电子和卫星应用中的热解决方案。 GRANOC高导热等级碳纤维可以包括纤维、织物、短切和研磨纤维等四种不同产品形式，不同类型产品热导率如下表所示： 由于具有优异的导电性，沥青基碳纤维可用作填料以增加塑料的导电性。 沥青基高模量碳纤维具有优异的阻尼减振性能。该特性有助于生产过程中的高速操作和准确性。因此，GRANOC 可以广泛用于滚子、机械臂和机床。 与PAN基碳纤维相比，模量范围为55GPa 至 155 GPa 的低模量沥青基碳纤维具有独特的性能，并可为复合材料提供柔韧性和高抗冲击性。 低模量碳纤维具有 1.8% 至 2.9% 的高压缩应变失效。相比之下，模量为 230 GPa 的 PAN 基碳纤维的值约为 1.4%。因此，低模量沥青基碳纤维具有更多的变形以抵抗压缩应力。利用该特性，碳纤维可广泛用于高尔夫球杆，以提供柔韧性和冲击强度。 下图分别展示了各向同性沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维的截面形貌和剖面结构示意图。 一、中间相沥青基碳纤维(MPCF)简介

MPCF以易石墨化材料中间相沥青为前驱体，经纺丝、氧化、碳化、石墨化等一系列工艺加工而成。由碳元素组成的片层大分子沿纤维轴取向排列，纤维呈高度石墨化状态，在宏观上表现出高模量、高导热、导电性、电磁屏蔽性、阻尼性、热膨胀系数低等优异性能，模量可达900GPa以上，导热系数可达1200w/m﹒k以上。 二、中间相沥青基碳纤维应用领域

(1)碳/碳 、碳/陶复合材料 MPCF作为增强材料，赋予复合材料较高的力学性能，制件在高温、高压等苛刻条件下不易产生脆裂、破损、变形等问题; MPCF导热系数大于1200W/m﹒K，加工而成的碳/碳复合材料优势导热方向导热系数大于700W/m﹒K; MPCF热膨胀系数低，通过合理的设计可使复合材料总体膨胀系数接近0; MPCF灰分值接近于0，避免了杂质元素对工艺过程的干扰，可生产高纯度、大尺寸硅晶体; 产品形态多样化，可满足不同工艺及应用场景需求。 MPCF碳/碳、碳/陶复合材料典型应用 单晶硅/多晶硅冶炼炉
飞机及重载设备刹车片 固体火箭发动机喷管
运载火箭喉衬
空间飞行器大面积薄板结构
高超声速飞行器热端部件 (2)中间相沥青基碳纤维导热/导电塑料 MPCF可赋予塑料优异的导热/导电/电磁屏蔽等性能，在许多领域替代金属材料。30%比重的中间相沥青基碳纤维短切或磨碎纤维填充尼龙66复合材料可实现拉伸强度大于200MPa，弯曲模量大于20GPa，导热系数大于10W/m﹒K，体积电阻率小于100Ω﹒cm的综合性能水平。 3)中间相沥青基碳纤维用于5G芯片散热 MPCF磨碎纤维与硅橡胶基体复合，纤维在流场、电场、磁场等方式作用下在硅橡胶中实现取向排列后，制成的导热垫片在厚度方向导热系数高达60W/m﹒K以上，是目前解决5G芯片界面散热问题的优选方案。国内多家散热材料知名企业，已经开始采用MPCF作为新一代散热技术方案，将导热填料阵列化，从而实现导热系数质的提升。 4）中间相沥青基碳纤维金属基复合材料 金属基复合材料是以金属为基体，无机非金属的纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒等为增强体，经复合而成的新材料，一般可分为铝基、镁基、钛基、铜基和铁基复合材料等。MPCF金属基复合材料可解决常规材料难以应对的高功率设备、高热流聚集部位的散热问题。 表现为： 优势方向导热系数达到700W/m﹒K以上; MPCF热膨胀系数低，与金属基体结合，整体热膨胀系数可设计性强; 保留原金属材料制件的工艺性及与设备整体的匹配性。 MPCF金属基复合材料应用 电子产品封装材料 汽车用大功率基板
高导热覆铜板
光伏背板及光伏逆变器 5）电动汽车电池盒 锂离子电池因具备高能量密度、高功率密度和长使用寿命的特点，存在热失控问题，为提高电池运行安全性和稳定性，电池包外壳需要具备导热且阻燃的特点。采用中间相沥青基碳纤维复合材料方案制造电池包外壳，可实现壳体大幅度减重、导热性能明显提升、阻燃作用明显的预期效果。 三菱、特瑞堡等多家企业已采用中间相沥青基碳纤维作为导热及增强材料，研制出能在高于1000℃的火焰环境下耐受时长超5min的导热阻燃复合材料。并在电动汽车电池盒上获得应用。 中间相沥青基碳纤维集合了轻量化、高模量、高强度、高导热、导电性、电磁屏蔽性、热膨胀系数低、工艺可设计性强等诸多特点，将成为多领域的关键材料，提高复合材料核心竞争力。