航天器熱管理高導(dǎo)熱材料應(yīng)用研究

雷智博，曹建光，董麗寧，董 健，畢振瀚

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

1 前 言

近年來(lái)隨著我國(guó)航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航天器載荷種類(lèi)及衛(wèi)星功耗不斷增長(zhǎng)，各種大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于各類(lèi)衛(wèi)星載荷，小體積化、高集成度、高功率化成為各類(lèi)電子元器件的發(fā)展方向。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，高集成度電子器件可以實(shí)現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)小型化和負(fù)載輕巧化，有利于完成航天器多功能多目標(biāo)的探測(cè)任務(wù)。然而，高度集成化以及緊湊型封裝技術(shù)大大減少了器件的散熱空間，致使器件的功率密度急劇增加，廢熱聚集在器件內(nèi)部狹小空間；局部溫度過(guò)高、熱流分布不均勻、小空間范圍內(nèi)熱流密度過(guò)高等散熱問(wèn)題日益凸現(xiàn)。過(guò)高的功率密度會(huì)使得小范圍內(nèi)的熱量堆積，使得器件的溫度偏離正常工作溫度。溫度過(guò)高不但影響器件的正常工作，增加其運(yùn)行狀況的不穩(wěn)定性；還會(huì)因器件內(nèi)部與外部環(huán)境間過(guò)大的溫差而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，降低器件的工作性能和可靠性，從而影響航天器的探測(cè)任務(wù)和使用壽命。

目前衛(wèi)星熱管理領(lǐng)域中普遍使用的熱管技術(shù)、擴(kuò)熱板均溫技術(shù)、強(qiáng)制對(duì)流換熱熱沉、低熱阻導(dǎo)熱填料等強(qiáng)化傳熱技術(shù)，均對(duì)材料本身的導(dǎo)熱性提出要求。而傳統(tǒng)航天導(dǎo)熱材料(如鋁、銅等)受材料自身導(dǎo)熱率和重量的局限，限制了上述熱控技術(shù)的使用范圍。如何適應(yīng)航天熱控技術(shù)的發(fā)展需求，有效解決高熱流密度電子器件的散熱問(wèn)題，對(duì)高導(dǎo)熱材料的研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

2 高導(dǎo)熱材料概述

導(dǎo)熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞。傅里葉導(dǎo)熱定律(Fourier’s Law)是在宏觀層面上描述熱傳導(dǎo)的規(guī)律，定義熱導(dǎo)率作為反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的宏觀物理量，其數(shù)值取決于物質(zhì)的種類(lèi)和溫度等因素。若從微觀層面上來(lái)看，不同材料的導(dǎo)熱機(jī)理有所區(qū)別[1]。在固體的導(dǎo)熱中，“載流子”既可以是電子，也可以是聲子(即格波的傳播導(dǎo)熱)。在大多數(shù)金屬固體中，自由電子的運(yùn)動(dòng)在熱傳導(dǎo)中起著重要的作用。而在絕緣體、半導(dǎo)體材料中，聲子的熱傳導(dǎo)占主要部分[1]。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)其組成成分來(lái)分析何種原理在熱傳導(dǎo)中占主導(dǎo)地位。在碳基復(fù)合材料中，聲子在熱傳導(dǎo)中有著重要的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)Pop等[2]的計(jì)算，導(dǎo)熱非常好的金屬型炭材料的電子導(dǎo)熱對(duì)整體導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)率小于15%。

對(duì)導(dǎo)熱材料的分類(lèi)有很多種方式，但習(xí)慣上根據(jù)熱導(dǎo)率大小進(jìn)行劃分，熱導(dǎo)率低的材料一般稱(chēng)為絕緣材料，又稱(chēng)隔熱材料或絕熱材料；而熱導(dǎo)率高的材料可以稱(chēng)為導(dǎo)熱材料。郭全貴等[3]參照常溫下典型金屬材料(銅、鋁等)的熱導(dǎo)率，定義熱導(dǎo)率在200 W·m-1·K-1以上的材料為高導(dǎo)熱材料。此外，導(dǎo)熱材料還有各向同性和各向異性的區(qū)別，分別適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

圖1及表1分別比較了部分常用高導(dǎo)熱材料和新型高導(dǎo)熱材料的熱物性參數(shù)[4, 5]，鋁基碳化硅、金剛石/銅以及金剛石碳化硅等復(fù)合材料均具有良好的熱性能。為了更好地推動(dòng)高導(dǎo)熱材料的工程應(yīng)用，各國(guó)科研人員就高導(dǎo)熱材料的制備、性能分析以及功能化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了多方面研究和實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出了諸多性能優(yōu)異的高導(dǎo)熱復(fù)合材料，以適應(yīng)各類(lèi)熱管理應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1 熱管理用材料的熱性能對(duì)比[4]Fig.1 Thermal properties of thermal management materials[4]

High thermal conductivity materialsThermal conductivity/(W·m-1·K-1)Coefficient of thermal expansion/(×10-6 K-1)Density/(g·cm-3)Aluminum218232.7Copper400178.9Cu/Mo/Cu250～2809.09.0Si/CSi/C/AlSi/C/Cu250150～254222～3203.78～147～143.22.6～2.86.6Natural Graphite150～500-1.02.25K-1100900～1100-1.62.2Diamond22001.03.5Diamond/CuDiamond/Al400～1200350～6704～77～96.03Carbon400-1.01.9Continuous CFs700～750-0.51.8

2.1 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料(metal-matrix composites，MMC)受增強(qiáng)體填料的形狀影響，具有多種復(fù)合構(gòu)型。顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)通過(guò)將增強(qiáng)體顆粒彌散分布于基體材料中實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的熱物理性能的各項(xiàng)同性，以其獨(dú)特的特點(diǎn)，成為了最常見(jiàn)的復(fù)合構(gòu)型，應(yīng)用也較為廣泛。目前，對(duì)Al2O3顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的研究已經(jīng)較為系統(tǒng)，其在汽車(chē)行業(yè)制作電焊電極時(shí)獲得普遍應(yīng)用[6]。

碳化硅顆粒具有相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)(4.7×10-6K-1)，可以通過(guò)控制碳化硅的含量調(diào)節(jié)復(fù)合材料的膨脹系數(shù)，各國(guó)研究人員開(kāi)展了許多有關(guān)碳化硅鋁基復(fù)合材料的研究[7]。2007年，國(guó)內(nèi)公司已開(kāi)始投產(chǎn)亞洲第一條碳化硅鋁基復(fù)合材料的生產(chǎn)流水線[8]，加速了我國(guó)碳化硅鋁基復(fù)合材料的生產(chǎn)應(yīng)用。以應(yīng)用需求為牽引，崔巖等[9]通過(guò)改善工藝，研制出導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)252 W·m-1·K-1、熱膨脹系數(shù)僅為7.8×10-6K-1的多功能碳化硅鋁基復(fù)合材料。此外，高帥等[10]在制備Cu/Sc2W3O12復(fù)合材料時(shí)，通過(guò)真空熱壓燒結(jié)制備的材料熱導(dǎo)率為208 W·m-1·K-1，對(duì)應(yīng)的熱膨脹系數(shù)為9.96×10-6K-1；在嘗試使用碳化硅納米顆粒作為第二增強(qiáng)相制備復(fù)合材料時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降到7.12×10-6K-1，熱導(dǎo)率提高到230.6 W·m-1·K-1。

碳纖維由于具有低密度、高比強(qiáng)度以及耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，也常作為一種增強(qiáng)體用于金屬基復(fù)合材料的制備，可以在保證上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。早期碳纖維與銅復(fù)合后，由于不同材料存在的界面以及碳纖維材料的特殊結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料難以達(dá)到預(yù)期的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能。研究表明[11, 12]，合適的界面設(shè)計(jì)以及合理地選擇顆粒填料可以優(yōu)化復(fù)合材料的空間構(gòu)型，從而減小界面熱阻并增強(qiáng)力學(xué)性能。Liu等[11]通過(guò)改善短切石墨纖維與鋁基體之間的界面熱阻，將復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高了78%，使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由117提升至 208 W·m-1·K-1。周聰?shù)萚12]在石墨-鋁復(fù)合材料中添加硅顆粒，優(yōu)化了復(fù)合材料的空間結(jié)構(gòu)，得到的復(fù)合材料在x、y方向上導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)526 W·m-1·K-1；并嘗試使用金剛石替代硅顆粒，使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率進(jìn)一步提升至630 W·m-1·K-1。

雖然碳纖維金屬基復(fù)合材料有著諸多優(yōu)異的性能，且具有優(yōu)良的可加工性，但仍然存在一些顯著的缺點(diǎn)。考慮到熱管理的實(shí)際需求，熱管理器件(如熱沉)必須具備：平面上的熱膨脹系數(shù)要與接觸的散熱器件熱膨脹系數(shù)匹配，在接觸面法線方向上需要有足夠的導(dǎo)熱能力將熱量及時(shí)地?cái)U(kuò)散出去，并且能夠盡可能地降低熱管理材料與散熱器件的熱應(yīng)力，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性[4]。碳纖維金屬基復(fù)合材料以及改良后的碳纖維金屬基復(fù)合材料有著一維甚至二維上的高熱導(dǎo)率和低膨脹率，在縱向方向上的熱導(dǎo)率并不理想，因而只適用于特殊場(chǎng)合，如對(duì)均溫需求很高但散熱需求不是很苛刻的情況。其次，在高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到石墨材料、復(fù)合材料構(gòu)型以及界面尺度，而目前關(guān)于復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間關(guān)系的理論認(rèn)識(shí)缺乏深入研究，難以利用模型來(lái)預(yù)測(cè)其熱導(dǎo)率，進(jìn)一步阻礙了碳纖維金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用[12]。

2.2 金剛石及其復(fù)合材料

金剛石是熱導(dǎo)率最高的天然材料，室溫下最高可達(dá)到2000 W·m-1·K-1，熱膨脹系數(shù)較低僅為0.8×10-6K-1[13]。近幾年來(lái)，人工合成的金剛石品質(zhì)已能滿足應(yīng)用所需的要求，成本也在可接受范圍內(nèi)。在新型的高導(dǎo)熱材料領(lǐng)域內(nèi)，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和研究人員開(kāi)始關(guān)注金剛石金屬基復(fù)合材料的研究[13]。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行金剛石金屬基導(dǎo)熱復(fù)合材料的相關(guān)研究，但初期的研究成果并不理想，制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率無(wú)法達(dá)到理論預(yù)期值，甚至比相應(yīng)的金屬熱導(dǎo)率還低[14]。導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是金剛石銅界面結(jié)合不良。金剛石和銅之間的潤(rùn)濕性極差，既不能形成固溶體，也不能形成碳化物，二者之間為簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)合，界面存在孔洞、空隙[15]。國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)在金剛石表面預(yù)鍍碳化物形成元素或?qū)︺~基體預(yù)合金化，來(lái)修飾復(fù)合材料界面，提高金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，如表2所示。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)金剛石金屬基復(fù)合材料的研究由最初的材料制備和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，到如今逐漸加強(qiáng)了在電子材料封裝領(lǐng)域的應(yīng)用研究。特殊燒結(jié)工藝的使用，可使得金剛石顆粒與金屬基體更加充分地融合，減小界面間的空隙，在很大程度上縮小界面熱阻，提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。張超等[30]依靠高壓氣體輔助熔滲技術(shù)，制得熱導(dǎo)率達(dá)到750 W·m-1·K-1以上的金剛石/鋁復(fù)合材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大尺寸復(fù)雜形狀金剛石/鋁復(fù)合材料散熱部件的生產(chǎn)，為解決不同領(lǐng)域散熱的共性問(wèn)題提供了核心解決方案。劉楠等[31]利用真空熱壓熔滲技術(shù)制備金剛石/銅基復(fù)合材料，熱導(dǎo)率可以達(dá)到462 W·m-1·K-1。此外，通過(guò)對(duì)金剛石表面進(jìn)行改性處理，使其與金屬形成良好的界面結(jié)合，也可使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有所提高。鄒煌輝等[32]通過(guò)還原鐵粉和鎳粉對(duì)金剛石粉體表面進(jìn)行改性，得到了熱導(dǎo)率為 423 W·m-1·K-1的金剛石-石墨烯納米墻/鋁復(fù)合材料，而采用硼和硅改性得到熱導(dǎo)率最優(yōu)值分別達(dá)到了474和501 W·m-1·K-1的金剛石-硼/銅復(fù)合材料和金剛石-硅/銅復(fù)合材料。馬洪兵等[33]對(duì)金剛石進(jìn)行硼化處理，制得了熱導(dǎo)率高達(dá)560 W·m-1·K-1、密度為 3.2 g·cm-3、熱膨脹系數(shù)僅為 8.2×10-6K-1的金剛石/鋁復(fù)合材料。季興橋等[34]通過(guò)對(duì)金剛石/銅表面前處理的多方嘗試，使其鍍金層覆蓋率達(dá)到100%，鍍層結(jié)合力和可焊性均滿足軍標(biāo)要求，可以更好地應(yīng)用于電子器件的封裝。經(jīng)過(guò)多方研究表明[35]，通過(guò)表面改性工藝和特殊燒結(jié)技術(shù)，可以大幅提高金剛石/銅基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能，可使其熱導(dǎo)率高達(dá)600 W·m-1·K-1。為了進(jìn)一步推動(dòng)金剛石金屬基復(fù)合材料的工程化應(yīng)用，需繼續(xù)進(jìn)行工藝優(yōu)化和導(dǎo)熱機(jī)理研究。

表2 部分金剛石金屬基復(fù)合材料的傳熱性能[16-29]

2.3 高導(dǎo)熱石墨材料

炭材料因?yàn)榫哂心透邷?、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、高導(dǎo)熱及良好的導(dǎo)電性等優(yōu)越性能，已經(jīng)在航天、軍工以及許多民用工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[36]。在常溫下，單層石墨(石墨烯)層面方向理論上的熱導(dǎo)率可達(dá)2000 W·m-1·K-1[37]，而目前常見(jiàn)的石墨材料多屬于多晶無(wú)規(guī)取向材料，熱導(dǎo)率較低僅為70～150 W·m-1·K-1[38]。因此高定向石墨的研究及其應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，起初通過(guò)熱解法制得高定向石墨，因此也稱(chēng)為高定向熱解石墨。20世紀(jì)70年代初，相關(guān)科研人員通過(guò)將高定向有機(jī)高分子(如聚酰亞胺等)在惰性氣氛下加壓炭化，并在2800～3200 ℃進(jìn)行石墨化處理后，成功制得高結(jié)晶度石墨膜[5]，與高定向熱解石墨一樣具有優(yōu)異的傳熱性能。

20世紀(jì)90年代，日本科學(xué)家Murakami等[39]以高定向的聚酰亞胺薄膜為原料，制得了塊狀石墨材料，熱導(dǎo)率高達(dá)400～800 W·m-1·K-1。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)研究人員也開(kāi)始進(jìn)行多方面的研究。李海英等[40]通過(guò)雙向拉伸聚酰亞胺薄膜層，制備了計(jì)算熱導(dǎo)率可達(dá)1 000 W·m-1·K-1的高取向石墨材料。李璐等[41]發(fā)明了一種基于氧化石墨烯制備高定向石墨膜的方法，采用此方法得到的石墨膜熱導(dǎo)率高達(dá)900 W·m-1·K-1。孫賢賢等[42]制得厚度可以控制、石墨高度定向分布的樣品，其內(nèi)熱導(dǎo)率可以達(dá)到2400 W·m-1·K-1。2013年于慶先等[43]制得柔性高定向石墨導(dǎo)熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為300～1000 W·m-1·K-1，可與多種金屬與非金屬材料復(fù)合。柔性高導(dǎo)熱石墨薄膜一般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(shè)備，對(duì)比現(xiàn)有的金屬基擴(kuò)熱板，其在強(qiáng)化導(dǎo)熱及減重方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

石墨化是制取高定向石墨材料的重要環(huán)節(jié)，為了提高基體材料的石墨化度，會(huì)在炭材料里添加一些催化粒子，如B，Si，Zr，Ti等元素。近幾年研究發(fā)現(xiàn)[44]，材料、摻雜劑以及熱壓溫度等條件都會(huì)影響石墨材料的傳熱性能。盡管高定向石墨材料具備良好的熱物理性能，然而在力學(xué)方面存在著一些問(wèn)題亟待解決，柔性高導(dǎo)熱石墨膜也存在厚度和尺寸有限、層間導(dǎo)熱率低等問(wèn)題，難以大面積使用。此外，現(xiàn)有的石墨膜產(chǎn)品一般采用膠粘的方式與熱源器件底板集成，造成控溫界面熱阻較大，且不適用于高溫條件。因此，雖然泡沫炭、柔性石墨以及石墨烯[45]等新型的炭材料均具有良好熱物理性能，但是需要根據(jù)材料本身的特點(diǎn)合理地應(yīng)用于熱控系統(tǒng)。

2.4 高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料

常用高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料是以炭為基體與碳纖維增強(qiáng)體組成的混合物，在C/C復(fù)合材料中增強(qiáng)相碳纖維是熱量傳遞的重要通道[46]，此外碳纖維本身的熱導(dǎo)率及其在復(fù)合過(guò)程的取向、分布、填充率都會(huì)對(duì)制得的C/C復(fù)合材料的熱導(dǎo)率產(chǎn)生巨大的影響。目前國(guó)外生產(chǎn)的高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在室溫下能夠達(dá)到[47]：一維600～800 W·m-1·K-1，二維300～500 W·m-1·K-1，三維200～400 W·m-1·K-1。C/C復(fù)合材料由于具備低密度、耐磨損、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能成為多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在對(duì)性能和減重要求較高的工程中具有良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)在軍工、電子、航天航空等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。

中間相瀝青經(jīng)熔融后在外力作用下可以高度取向排列，可以制得高度取向的瀝青纖維(mesophase pitch carbon fiber， MPCF)，其具有良好的軸向熱導(dǎo)率，也是作為基體碳前驅(qū)體的理想選擇。樊楨等[48]研究了中間相瀝青碳結(jié)構(gòu)取向的優(yōu)化調(diào)控方法，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)延長(zhǎng)炭化時(shí)間、高壓炭化、石墨化處理等手段得到制備高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料的最佳基體碳前驅(qū)體。此外，結(jié)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提出了高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料的制備工藝。張賢等[49]通過(guò)捆綁工藝制得密度為1.8 g·cm-3、沿纖維軸向熱導(dǎo)率可超過(guò)700 W·m-1·K-1的C/C復(fù)合材料。李游等[50]研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的添加會(huì)使得C/C復(fù)合材料的孔隙率下降和體積密度上升，可以提高其力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，抗彎強(qiáng)度為113.4 MPa、軸向熱導(dǎo)率558.8 W·m-1·K-1、徑向熱導(dǎo)率50.8 W·m-1·K-1。毛小飛等[51]制得的4種樣品中，中間相瀝青復(fù)合材料導(dǎo)熱性能最好，熱導(dǎo)率為441 W·m-1·K-1。但是國(guó)內(nèi)C/C復(fù)合材料的起步比較晚，高質(zhì)量的中間瀝青相無(wú)法做到低成本、批量化生產(chǎn)，原材料依賴(lài)于進(jìn)口[5]，因此需要對(duì)中間相瀝青的制備進(jìn)行相關(guān)工藝研究。

3 航天領(lǐng)域?qū)岵牧蠎?yīng)用

在航天器熱控系統(tǒng)中，導(dǎo)熱材料廣泛用于需要強(qiáng)化熱傳導(dǎo)的儀器設(shè)備，起到器件散熱、設(shè)備均溫化、廢熱傳輸以及降低接觸熱阻等功能。不同應(yīng)用需求對(duì)熱管理材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、耐高低溫、工質(zhì)相容性、密度、力學(xué)性能及可加工性等性能提出不同要求。以下介紹幾類(lèi)高導(dǎo)熱材料在航天熱管理領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

3.1 金屬基復(fù)合材料殼體

銅、鋁等金屬材料及其合金，因具有較好的導(dǎo)熱性能和一定的力學(xué)強(qiáng)度，在航天領(lǐng)域廣泛用作擴(kuò)熱板、熱沉、熱管殼體材料以及電子設(shè)備的封裝材料。而金屬基復(fù)合材料可以在保留金屬材料導(dǎo)熱和力學(xué)性能的同時(shí)，通過(guò)顆粒、晶須或纖維等增強(qiáng)體，進(jìn)一步改善并調(diào)控材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、耐磨性、密度及耐溫范圍等參數(shù)，使其可以替代金屬用作散熱板、散熱片、熱沉、冷板、封裝殼體等熱管理器件的殼體材料。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外對(duì)碳化硅復(fù)合材料的研究已步入實(shí)用階段，近幾年國(guó)內(nèi)也加緊了對(duì)碳化硅/鋁復(fù)合材料的研究和生產(chǎn)應(yīng)用。碳化硅/鋁復(fù)合材料具有導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)低、密度低等優(yōu)點(diǎn)，已用于器件封裝殼體、儀器支撐架等航天器結(jié)構(gòu)件，成功解決了某些特殊載荷的散熱及微變形需求。圖2所示為鋁基碳化硅復(fù)合材料制備的T/R組件封裝外殼[52]。需要注意的是，復(fù)合材料使用時(shí)如果存在固液或氣固界面，需要考慮材料與流體工質(zhì)的相容性，以免發(fā)生腐蝕反應(yīng)。

圖2 化學(xué)鍍鎳的鋁基碳化硅復(fù)合材料制備的T/R組件封裝外殼[52]Fig.2 Nickel-plated SiC/Al composites housing for T/R modules [52]

3.2 電子封裝復(fù)合材料

隨著航天器功能的日益復(fù)雜、電子器件集成度及功率逐步提高，亟需解決高功率密度電子芯片的散熱問(wèn)題。針對(duì)電子芯片結(jié)溫過(guò)高導(dǎo)致的器件失效，除增強(qiáng)封裝材料本身的導(dǎo)熱性能外，還需要解決芯片與封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題。金屬基復(fù)合材料作為高功率芯片封裝材料或散熱熱沉，可以滿足芯片封裝材料高導(dǎo)熱、低膨脹的需求，因而受到半導(dǎo)體行業(yè)廣泛關(guān)注。銅基和鋁基復(fù)合材料可以通過(guò)SiC、BeO、碳纖維、金剛石等增強(qiáng)體來(lái)調(diào)節(jié)其熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)，實(shí)現(xiàn)與Si、GaAs或GaN等半導(dǎo)體芯片的膨脹系數(shù)匹配[53]。在航天器材料減重方面，鋁基復(fù)合材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)使用碳化硅/鋁復(fù)合材料進(jìn)行電子器件封裝，可起到減重效果，提高可靠性[54]。雖然碳化硅/鋁復(fù)合材料作為電子芯片封裝材料性能優(yōu)異，但其本身熱導(dǎo)率難以滿足更高功率的散熱需求，且加工和焊接困難，需進(jìn)一步研究其覆鋁工藝以滿足其低熱阻集成需求。

3.3 C/C復(fù)合材料面板

由于C/C復(fù)合材料輕質(zhì)、高導(dǎo)熱及良好的力學(xué)強(qiáng)度等特性，可以用于航天導(dǎo)熱需求下的蜂窩板或輻射器面板。傳統(tǒng)蜂窩板一般由蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)及內(nèi)嵌的預(yù)埋件組成，材料為鋁合金，可用于航天器結(jié)構(gòu)板或輻射器面板。采用高導(dǎo)熱的C/C復(fù)合材料蒙皮代替鋁蒙皮，可以在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，增加面板的導(dǎo)熱能力和力學(xué)強(qiáng)度。美國(guó)NASA設(shè)計(jì)研制了C/C復(fù)合材料蜂窩板用于EO-1航天器的輻射面板，如圖3[55]所示。其結(jié)構(gòu)由C/C復(fù)合材料蒙皮、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)及預(yù)埋件組成，外部涂覆銀-特氟龍涂層。

圖3 用于EO-1航天器上的C/C復(fù)合材料輻射板[55]Fig.3 C/C composite radiator for the EO-1 spacecraft[55]

除C/C蜂窩板式輻射器外，美國(guó)NASA還為SP-100和JIMO計(jì)劃等核動(dòng)力系統(tǒng)研制了C/C翅片式熱管輻射器，如圖4[56]所示。其中熱管翅片作為輻射面板，其材料為T(mén)300 C-C復(fù)合材料，單位面積質(zhì)量約2.1 kg·m-2，復(fù)合材料面板與熱管之間采用釬焊工藝集成，并在400～450 K溫度下進(jìn)行了測(cè)試。采用此類(lèi)復(fù)合材料研制的大型展開(kāi)式熱管輻射器，具有良好的耐高溫特性及顯著的減重效果，可用于核動(dòng)力航天器數(shù)十千瓦乃至百千瓦量級(jí)廢熱排散，有效節(jié)省輻射散熱系統(tǒng)體積和重量。

圖4 用于輕質(zhì)空間動(dòng)力系統(tǒng)的高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料熱管輻射器[56]Fig.4 High conductivity C/C composite heat pipes for light weight space power system radiators[56]

在空間環(huán)境中，外熱流變化劇烈，高低溫交變產(chǎn)生的應(yīng)力可能導(dǎo)致復(fù)合材料面板變形或界面開(kāi)裂。因此，C/C復(fù)合材料用作蜂窩板或輻射器面板，必須考慮復(fù)合材料蒙皮與蜂窩結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)匹配設(shè)計(jì)及界面集成工藝，在降低界面熱阻的同時(shí)，提高器件空間環(huán)境適應(yīng)性。

3.4 高導(dǎo)熱泡沫炭材料

航天工程中針對(duì)周期性工作或瞬時(shí)發(fā)熱設(shè)備的熱管理，常使用相變儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)熱量存儲(chǔ)和溫度控制[57]。常用的中低溫相變材料(如石蠟)和高溫相變材料(硅、硼等)通常熱導(dǎo)率都較低，需要通過(guò)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)強(qiáng)化導(dǎo)熱[57]。而高導(dǎo)熱泡沫炭是一種石墨化多孔炭材料，其密度非常小僅為0.2～0.6g·cm-3，其壁結(jié)構(gòu)與理想石墨結(jié)構(gòu)接近，熱導(dǎo)率最高可達(dá)1200 W·m-1·K-1。因?yàn)楦邔?dǎo)熱泡沫炭擁有天然的孔狀結(jié)構(gòu)，所以可被用作多孔材料，工質(zhì)可在孔中進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流。此外，用作多孔熱沉材料時(shí)還可以利用孔對(duì)流和壁傳導(dǎo)兩種熱傳遞方式更為有效地進(jìn)行散熱[58]。相對(duì)于一般炭(石墨)材料而言，泡沫炭具有各項(xiàng)同性的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能[59]，結(jié)合其輕質(zhì)、易加工等特性在很多領(lǐng)域都大有應(yīng)用前景。在航天熱控領(lǐng)域，利用泡沫炭的特殊毛細(xì)結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)、高導(dǎo)熱特性，可以用作相變儲(chǔ)能裝置的導(dǎo)熱填料。在相變板或相變儲(chǔ)能換熱器中嵌入高導(dǎo)熱泡沫炭作為骨架，并在其中填充相變材料，利用泡沫炭的高熱導(dǎo)率可以提升相變材料的傳熱速率，改進(jìn)相變儲(chǔ)能裝置的能效比。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，銅、鋁金屬基復(fù)合材料、金剛石復(fù)合材料、高導(dǎo)熱泡沫炭和石墨烯以及高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備，在航天熱控中有著很大的潛在應(yīng)用前景，主要分為以下幾方面：

1)碳化硅/鋁基復(fù)合材料有望用來(lái)替代鎢銅材料進(jìn)行航天器上電子器件的封裝；

2)超輕質(zhì)的泡沫炭結(jié)構(gòu)可用于高導(dǎo)熱換熱器件的骨架材料，亦可在熱管中替代絲網(wǎng)等結(jié)構(gòu)提供毛細(xì)力強(qiáng)化沸騰換熱；

3)石墨烯超高導(dǎo)熱柔性薄膜可直接用于高功率電子器件上，來(lái)增強(qiáng)關(guān)鍵儀器的工作性能，提高其熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。金剛石/銅基材料適用于現(xiàn)代衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)領(lǐng)域的微波固態(tài)功率放大器的封裝材料；

4)高導(dǎo)熱C/C-鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)可用于空間遙測(cè)儀器上，而高質(zhì)量的中間瀝青相C/C復(fù)合材料，同時(shí)具備良好的導(dǎo)熱性能和力學(xué)強(qiáng)度，可廣泛用于衛(wèi)星電子裝置散熱板、印刷電路襯板等場(chǎng)合。

因此，為了滿足航天熱控技術(shù)的需求，需要相關(guān)新材料科研機(jī)構(gòu)的支持，從實(shí)際需求出發(fā)，注重高性能材料的研發(fā)。此外，國(guó)家相關(guān)部門(mén)應(yīng)盡早制定有效地研發(fā)計(jì)劃，合理地調(diào)動(dòng)多方資源，做到知行合一，以應(yīng)用需求帶動(dòng)研究開(kāi)發(fā)，形成以航天熱管理需求為主體、高?？蒲袉挝粸檠芯枯d體、企業(yè)為制備工藝生產(chǎn)端的高導(dǎo)熱復(fù)合材料研發(fā)團(tuán)體。在研究深度和廣度上縮小與世界先進(jìn)發(fā)展水平的差距，甚至實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。應(yīng)加大對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的投資力度，盡早實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱材料的技術(shù)突破，以滿足航天國(guó)防領(lǐng)域的迫切需求。