目前，航天器不断朝着超大型化、微小型化、高效能化的方向发展，对结构轻量化、高效传热散热、热尺寸稳定性等要求越来越高，这对轻质材料的综合性能也提出了更高要求。例如，大功率卫星系统级的散热和高功耗电子设备的局部散热要求采用高热导率的结构材料和轻质高效热管理结构才能满足散热要求；空间科学探测卫星、高分辨率对地观测卫星需要结构材料具备极低的热膨胀系数和高导热性，以实现平台和载荷在轨冷热交变环境下极低的热变形和高精度温控。传统的轻质材料已无法全面满足结构对材料优异综合性能的要求，高导热中间相沥青基碳纤维复合材料具有高热导率、超高模量、低密度、低热膨胀系数等优点，是研制航天器高刚度结构、热管理结构、尺寸稳定性结构、机热一体化结构等的理想材料。

高导热碳纤维是由中间相沥青经纺丝、预氧化、碳化、石墨化等转化而成，液晶中固有分子的定向排列被保留下来并在后处理中形成了接近于石墨单晶的结构，因此其具有低密度、高导热、高模量等性能。相比PAN基碳纤维，高导热碳纤维具有超高的热导率、更高的拉伸模量和更低的热膨胀系数。

沥青基碳纤维的制备工艺流程图

经过几十年的发展，高导热碳纤维在国外已形成系列化商品，目前在该领域已实现商业化批量生产高性能高导热碳纤维的知名厂商有美国Cytec公司（现属于比利时索尔维）、日本三菱化学公司和日本石墨纤维公司，其中，美国Cytec公司牌号为K1100的碳纤维的轴向热导率和拉伸模量分别达到了1100W/(m·K)（为铜热导率的2.8倍）和965GPa。国内在高导热碳纤维的开发与工程化制备方面也有一定的历史，北京化工大学、中国科学院山西煤化所、湖南大学等单位在中间相沥青基高导热碳纤维开发方面也取得了一定的成绩，逐步推进产业化中。

目前，高导热碳纤维复合材料的研究及应用主要集中在以高导热碳纤维为增强体的树脂基、碳基两种复合材料。高导热碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天装备、尖端工业装备、电子产品等方面得到重要应用。高导热碳/碳复合材料作为先进复合材料，主要应用于飞行器的热防护系统、热疏导系统、发动机喷管等。

扩展阅读：

1.沥青基碳纤维正逐渐在5G导热领域大放异彩

2.中间相沥青基碳纤维及其应用介绍

高导热碳纤维复合材料在航天器中的应用

1.热管理结构

传统意义上的航天导热材料（铝、铜等）受材料热导率和密度的限制，已无法满足航天器对轻质高效热管理结构发展的需求。采用高导热碳纤维复合材料替代铝合金、铜合金应用于航天器热管理结构，可实现结构导热增强与质量减轻的双重目标。高导热碳纤维复合材料在美国、德国、日本的卫星热辐射器、蓄热板等热管理结构获得了大量成功应用，展现出广阔的应用前景。

德国HPS公司采用K13D2U高导热碳纤维复合材料研制了通信卫星东西面结构板热流转换的碳面板热辐热器。两层厚0.1mm、纤维方向垂直于热管的K13D2U碳纤维/氰酸酯预浸料制成的面板热导率达到400W/(m·K)以上，既实现了将热量均匀地分布在热辐热器表面进而提升热辐射器的散热性能，又使得面板在热管方向的热膨胀系数与金属热管相匹配，避免了面板与热管界面间的高应力；与具有相同散热性能的铝合金面板热辐射器相比，其质量减轻了30%。

德国HPS公司碳面板热辐射器

NASA开发的用于空间电站散热器的高导热碳/碳热管为一体式碳/碳壳体翅片和铌锆合金薄壁内衬组成的结构，能实现600℃高温下的高效传热散热。与T300碳纤维碳/碳热管相比，由于翅片材料热导率的提高，K1100高导热碳纤维碳/碳热管在热管翅片效率相同的情况下翅片换热面积增加了130%，热管的相对密度由2.11kg/m²减小到1.32kg/m²，可显著减小散热器的相对密度。

2.热防护结构

高导热碳/碳和碳/陶复合材料具有优异的导热性能、高比强度、耐烧蚀等结构和功能特性，可应用于高速飞行器、航天器的热防护结构等，实现结构的非烧蚀防热和承载。相比传统的PAN基碳纤维，高导热碳纤维作为增强体制备的碳/碳和碳/陶复合材料具有更高的热导率，通过提高热疏导能力将热量及时转移，减小结构中的热梯度和热应力，简化热防护结构的设计，提高热防护系统的可靠性。

美国2018年发射的“帕克太阳探测器”用作热防护的热盾为两块碳/碳材料之间填充碳泡沫的轻质、非烧蚀防热结构。为满足热盾耐高温、耐辐照、高温下机热稳定性好的需求，在设计选材时，美国JPL实验室将P-100S、K321、P-55、P-30X几种沥青基碳纤维作为碳/碳材料增强体的候选材料进行了性能对比研究。

帕克太阳探测器

帕克探测器的隔热罩就像是一块三明治，两块碳纤维合成板夹着4.5英寸厚的轻型碳泡沫芯。为了尽可能多地反射太阳热量，隔热罩的向阳面采用了一种特殊的白色涂层

欧空局2020年发射的“太阳轨道器”中用作太阳辐射防护的热盾，热盾中起承载作用的支撑板为碳蒙皮蜂窝夹层结构。为实现最佳的热负载均匀性并最大限度降低对平台热变形的影响，支撑板面板选用K13D2U高导热碳纤维/Hexcel M18树脂预浸料制作的准各向同性层合板。

太阳轨道器的热盾

3.空间高尺寸稳定性结构

将高导热碳纤维复合材料应用于航天器平台、星载相机等空间高尺寸稳定性结构，既可以发挥材料高导热的特性来提升结构温度均匀性和温控水平，又可以发挥材料低热膨胀、高比模量的优势来降低结构的热变形以保证结构的热尺寸稳定性，通过机热一体化设计更可以达到显著减重和提高热尺寸稳定性的效果。

HPS公司在HICO项目中采用K13D2U高导热碳纤维/环氧树脂复合材料研制了伽利略导航卫星中用于大功率仪器设备安装的碳面板蜂窝夹层结构板。高导热碳纤维复合材料结构板解决了传统铝合金或PAN基碳纤维复合材料结构板无法同时满足集承载/传热/尺寸稳定性功能于一体的难题，既保证了大功率设备热量的快速扩散，又使结构具有高刚度和更好的尺寸稳定性。相比传统铝合金面板结构板，该结构质量减轻11%，扩热性能提升17%。

伽利略卫星仪器安装板示意图

意大利AGILE卫星固态硅探测器为了满足高尺寸稳定性和高温度均匀性的要求，探测器硅钨跟踪器的机械基板、附加硅探测器平面基板均采用了K1100型高导热碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构。美国EOS-3卫星有效载荷光谱仪的光学基座为K13D2U型高导热碳纤维复合材料层压结构，隔热罩为K13D2U型高导热碳纤维复合材料面板蜂窝夹层结构，高导热碳纤维层压板面内高导热、低热膨胀的特性保证了光学平台上的光学元件在接近180K温度下的尺寸稳定性和高精度温控。

碳纤维平面基板

4.空间反射镜及天线反射面

空间反射镜、天线反射面在轨长期暴露在极端温度波动环境中，大的温度波动或非均匀的温度分布会引起反射镜及天线反射面较大的热变形，进而影响载荷功能的有效发挥。采用高导热碳纤维复合材料研制空间反射镜、天线反射面，可快速平衡产品在轨时的温度梯度并有效降低热变形的影响，从而提高天线和反射镜等载荷的服役能力。

有研究者使用K1100碳纤维/氰酸酯复合材料面板蜂窝夹层结构设计和制造了卫星成像仪和探测器用的轻质扫描镜，所选材质具有高导热、高刚度、低热膨胀系数的特性，降低了扫描镜在轨的温度梯度、热致弯曲变形以及地面集成测试时的自重变形，提升了结构尺寸稳定性。

5.多功能结构

航天器中多功能结构(MFS)主要指“结构＋电子”多功能一体化结构，即利用微电子、柔性电路、高效热管理等技术将电子线路、电缆、热控等部件集成嵌入到结构中，实现信息传递、配电管理、热管理及承载等功能的一体化。作为实现航天器轻型化、微型化的重要手段，MFS成为航天器结构领域的研究热点。

美国NASA在“新千年计划”的深空1号飞行器中首次将高导热碳纤维复合材料技术应用于MFS。为满足多芯片模块(MCM)安装、嵌入传热装置、作为散热器等集成热管理的需要，MFS基板采用了K13D2U型高导热碳纤维复合材料面板制成的蜂窝夹层结构，并在高热耗的MCM安装局部采用面板加厚、蜂窝内填充高导热填充物等方式提高局部散热能力以消散MFS面板上的高热通量。

(a)多功能结构设计、(b)多功能结构MCM热耗散设计

6.电子设备外壳

航天器中存在大量电子设备，传统的电子设备外壳由铝合金制成。采用高导热碳纤维复合材料替代铝合金用于电子设备外壳，可以减轻设备质量并提高其散热能力。采用高导热碳纤维制备的电磁屏蔽箱，可实现电磁屏蔽、电子器件的及时散热和结构轻量化；日本宇宙航空研究开发机构开发的碳纤维复合材料光纤陀螺仪，光纤环绕线筒采用了K13D2U型高导热碳纤维复合材料与T300碳纤维复合材料结合的方案，通过对光纤环绕线筒内侧包裹纤维方向为圆周方向的K13D2U碳纤维复合材料，利用其高模量和低热膨胀的特性来抑制热应变，从而提高光纤陀螺仪的稳定性。

总结

从发展趋势来看，高导热碳纤维复合材料因具有高模量、高导热、低热膨胀系数等特性，使其在航空航天、武器装备、核工业、电子产品、工业装备等领域有广阔应用前景。其潜在应用场景包括：（1）发挥其高比模量优势，替代传统轻质合金、PAN基碳纤维应用于高刚度结构，实现装备减重；（2）发挥其高导热优势，作为高导热材料应用于电子设备、热管理装置、热防护结构中提升传热性能；（3）发挥其优良力热综合性能，作为集承载/热管理/尺寸稳定性于一体的功能材料应用于多功能结构，实现结构减重、尺寸稳定性与传热性能的增强，提升装备轻量化、集成化和载荷性能等。目前国内高导热碳纤维材料产品性能与国际先进产品还有一定的差距，产业化及工程化应用尚处于起步阶段，需进一步提高国产高导热碳纤维产品性能和产业化能力，实现工程化应用技术的突破。随着材料技术和航天技术的发展，高导热碳纤维复合材料在航天器中将得到越来越广泛的应用。

参考来源：

1.高导热沥青基碳纤维复合材料在航天器中的应用现状及展望，杨强、刘洪新、何端鹏、陈海峰、陈维强、金晶、潘福明（材料导报）；

2.高导热中间相沥青碳纤维的制备，叶崇（湖南大学）；

3.国防军工行业深度报告：高性价比碳纤维，高端制造业换装首选材料（华安证券）。

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