冷靜飛行

馮雪 高翔 張育新

科技發(fā)展到今天，飛機(jī)、火箭等航天器已經(jīng)成為航天探索中的重要組成部分，而它們的正常工作和安全飛行都離不開高導(dǎo)熱材料。在航天器熱控系統(tǒng)中，高導(dǎo)熱材料主要用于為大功率元器件擴(kuò)熱與傳輸、設(shè)備均溫?cái)U(kuò)熱、結(jié)構(gòu)等溫化設(shè)計(jì)或作為機(jī)熱一體化結(jié)構(gòu)等，起著很重要的作用。

安全飛行，高導(dǎo)熱材料不可少

高導(dǎo)熱材料的定義是熱導(dǎo)率在200W·m-1·K-1以上的材料。那么熱導(dǎo)率又是什么呢？熱導(dǎo)率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，是指材料直接將熱能由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的能力。從單位來理解，就是指單位溫度降低的情況下，單位時間內(nèi)通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。

目前研究的高導(dǎo)熱材料種類太多，我們將它大致分一下類：

不同高導(dǎo)熱材料的性能有差異

聚合物基導(dǎo)熱材料

高分子聚合物具有良好的可塑性和絕緣性，且耐腐蝕，價格又低，但它的低熱導(dǎo)率限制了其大規(guī)模應(yīng)用，因此以聚合物為基體向其中填充氧化物或碳化物等材料增強(qiáng)其熱導(dǎo)率，而填充物通常為顆粒狀，接觸面積大。

金屬基導(dǎo)熱材料

金屬雖然強(qiáng)度高、耐磨性好且易加工，但其導(dǎo)熱率仍有待提升，所以科學(xué)家們也向其中填充碳化硅、碳纖維或金剛石等材料嘗試增強(qiáng)其熱導(dǎo)率。碳化硅顆粒具有較低的熱膨脹系數(shù)，金剛石熱膨脹系數(shù)則更低，且是熱導(dǎo)率最高的天然材料，碳纖維則耐高溫、抗摩擦、耐腐蝕。不同種類和狀態(tài)的填充物，以及不同的金屬，都影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，例如，碳化硅鋁基復(fù)合材料熱導(dǎo)率略超200W·m-1·K-1，而金剛石金屬基材料熱導(dǎo)率都高于400W·m-1·K-1。

碳基高導(dǎo)熱材料

碳基導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)高，性能穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)小、比重輕，是近年來最具發(fā)展前景的航天器熱管理材料之一。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)2000W·m-1·K-1，但市面上常見石墨材料熱導(dǎo)率往往不到200W·m-1·K-1，這主要是由于石墨材料內(nèi)部分子方向比較混亂所造成，于是，科學(xué)家們致力于研究高定向石墨材料。

柔性高導(dǎo)熱石墨膜的制作方法就像制造快遞盒中的氣泡膜然后捏破，將大片單層石墨烯互相交疊，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，材料中的含氧基團(tuán)釋放出氣體，在材料內(nèi)部形成微氣囊，最后降溫并壓成膜，使微氣囊中的氣體排出形成微褶皺。石墨膜可反復(fù)折疊6000次，彎曲10萬次，解決了宏觀材料高導(dǎo)熱和高柔性不能兼顧的難題，可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，其在強(qiáng)化導(dǎo)熱及減重方面有明顯優(yōu)勢。

C/C復(fù)合材料則具有低密度、耐磨損、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，適用于航空航天領(lǐng)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)。

陶瓷高導(dǎo)熱材料

陶瓷擁有常見工程材料中最高的硬度、耐高壓和耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中，氮化鋁、氮化硅和氧化鋯等陶瓷具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，陶瓷的本征熱導(dǎo)率高，但是其制備和可加工性能較差，且陶瓷材料難以大尺寸制備，成本較高，因此嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。高導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等為主。高導(dǎo)熱率陶瓷材料是高密度集成電路基板和封裝的理想材料。

高導(dǎo)熱材料用在哪兒

聚合物基導(dǎo)熱材料

具有最好的發(fā)展前景，相關(guān)研究非常全面，應(yīng)用范圍也很廣，部分復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能已經(jīng)達(dá)到了原材料的十倍以上。

碳化硅/鋁基復(fù)合材料

航天器上電子器件的封裝。

金剛石/銅基材料

現(xiàn)代衛(wèi)星通信、移動通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)領(lǐng)域的微波固態(tài)功率，也可應(yīng)用于航空航天通信方面。

超輕質(zhì)的泡沫炭結(jié)構(gòu)

高導(dǎo)熱換熱器件的骨架材料，也可在熱管中替代絲網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。

石墨烯超高導(dǎo)熱柔性薄膜

用于高功率電子器件上，來增強(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。

高導(dǎo)熱C/C鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)

用于空間遙測儀器上，而高質(zhì)量的C/C復(fù)合材料同時具備良好的導(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、印刷電路襯板等場合。

讀了我們對高導(dǎo)熱材料的介紹，你有沒有發(fā)現(xiàn)一些頻繁出現(xiàn)的詞呢？比如熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、耐磨性、腐蝕性、絕緣性。用于航空航天的材料不容忽視，特別的環(huán)境致使選取的材料必須具有一些特性，如耐老化腐蝕、適應(yīng)空間、壽命長、安全性能高和耐高低溫等。畢竟一失足成千古恨，對材料的精挑細(xì)選和改造是至關(guān)重要的。

從航天工業(yè)發(fā)展之初，就有許許多多的科學(xué)家不斷尋找合適的材料，探索更有效的復(fù)合方式，可以說，一架安全的航天器的誕生，背后是千千萬萬人的努力，他們就如繁星圍繞皎月，光芒可能微弱，但正是這微弱的光芒組成了美麗的星河。