在算力快速提升与设备持续微型化的双重压力下，热管理已成为制约性能与可靠性的“核心挑战”。过去往往聚焦于导热系数的单纯“内卷”，却面临着传统材料性能提升日益受限、边际成本不断增高。新一代导热材料从结构设计、界面工程、成本控制等多维度探索前沿，正从实验室走向产业化应用，在复杂、高性能的应用场景中，寻求自身不可替代的功能定位。

一、碳纳米管：一维垂直定向导热

碳纳米管（CNTs），一维纳米材料，轴向导热率极高，结构完善的单壁碳纳米管的轴向热导率可以达到6000 W/(m·K)以上，且独特的管状结构为热流提供了理想的定向通道。

碳纳米管结构示意图

垂直碳纳米管阵列（VACNT）是由大量取向一致、长度大致相等的碳纳米管在基底上排列而形成的宏观体。在碳纳米管轴向方向上表现出优越的导热性能，且兼具高机械柔顺性和高导热性，有助于解决由两个接触面之间的热膨胀系数不匹配而引起的热应力问题。

在两种衬底上合成的碳纳米管垂直阵列SEM图：（a）Si/SiO₂衬底；（b）Al₂O₃衬底

1、挑战

碳纳米管与聚合物之间存在较高的界面热阻，同时，随机分布的碳纳米管间连接处的接触热阻也会影响整体导热性能。碳纳米管的长径比、纯度、管径、分散性以及垂直阵列的生长密度与高度是影响导热性能的关键指标。

2、应用方向

碳纳米管的核心优势在于“垂直定向热通路”的潜力，实现极低热阻的界面连接。当前，它主要在实验室和部分顶尖的芯片封装中进行原型验证，是解决局部热点垂直散热问题的一种前沿方案。

整体式3D集成芯片（来源：资料1）

二、石墨烯：二维材料的导热潜力

石墨烯，凭借单层碳原子二维结构，拥有5300W/(m·K)的高理论导热率，成为导热革命的热点材料。

石墨烯结构示意图

1、挑战

其导热性能高度依赖于结构的完整性与排列的有序性。在实际应用中，石墨烯片层易堆叠、团聚，在复合材料中形成大量声子散射界面，导致实测导热率远低于理论值。大规模生产高质量、低缺陷的石墨烯成本，以及在其复合材料中实现理想的取向排布，仍是产业化核心挑战。

2、应用方向

（1）导热填料

目前，石墨烯主要作为填料添加至相变材料或聚合物基体中，能显著提升体系的综合导热性能，应用于热界面材料、导热涂料。

石墨烯导热垫片

（2）石墨烯薄膜

石墨烯薄膜通过化学气相沉积（CVD）制备，正在特定高价值领域（如某些高频射频器件）作为热扩散层进行应用探索，是对传统人工石墨膜的一种高端补充。华为等公司已经将石墨烯膜导热层应用于华为Mate20X手机、MatePadPro5G平板等产品，其中MatePadPro5G平板的石墨烯导热层厚度达到400μm。

石墨烯导热膜典型结构（来源：富烯科技招股书）

（3）CNTs/石墨烯复合薄膜

通过发挥CNTs和石墨烯的协同增强作用，有望提高复合薄膜厚度方向和面内方向的导热性能。其在航天航空领域具有广泛的应用前景，包括星载雷达的传输/接收组件、卫星电耦合相机的轴向均热、航天飞行器仪器舱高功率电子器件的热管理系统等。

三维柱状石墨烯/碳纳米管纳米结构

三、液态金属：流动的高性能界面材料

液态金属是指在常温或特定条件下呈现液态的金属或合金材料，具有导电性、导热性和流体特性。

液态金属

液态金属的导热系数通常在20-100W/(m·K)之间，可达硅脂导热系数（1-5W/(m·K)）的8-10倍，且具备超低界面热阻、高体积相变潜热、良好的流动性与适应性、长期稳定性。

典型液态金属与水的热物理性质对比表

1、挑战

但其导电性带来了致命的“短路风险”，对封装可靠性要求极高。此外，对基材（特别是铝）的润湿性和潜在腐蚀性、长期使用后的干涸或迁移问题，限制了其应用范围。

2、应用方向

适用于有限且封闭的尖端场景，如某些高端服务器CPU散热、激光二极管冷却。它是对传统界面材料在极端热流密度场景的补充，而非普适性解决方案。

四、金刚石：高端导热材料的成本挑战

金刚石拥有自然界最高的热导率，室温下高达2000W/(m·K)以上，且兼具优异的绝缘性和低热膨胀系数(8.6×10^-7K^-1)，成为高端导热的理想材料。

1、挑战

大尺寸、高质量CVD金刚石的制造成本极为昂贵，生长速度慢，且与半导体工艺的集成（如异质外延、加工、金属化）仍存在技术难题。目前尺寸和成本限制了其在消费电子领域的普及。

2、应用方向

（1）导热填料

金刚石微粉/纳米粉作为顶级填料，已应用于某些尖端领域的导热凝胶、聚合物复合材料中（如高端芯片封装、航空航天），能显著提升复合材料的导热率。但成本极高，且高体积分数下对工艺要求苛刻。

（2）金刚石/铜复合材料

金刚石/铜复合材料热导率在研究中已达到600W/(m·K)以上，最高可至930W/(m·K)，且热膨胀系数可调，是目前金刚石在热管理领域中极具大规模应用前景的材料，已在华为5G/6G基站、高功率算力芯片等场景中批量使用。

金刚石/铜复合材料（来源：有研工研院）

（3）薄膜或金刚石片

化学气相沉积（CVD）技术已能制备人造金刚石薄膜或金刚石片。其在高功率微波器件、激光器、功率半导体（如GaN-on-Diamond）等领域展现出巨大潜力，可直接作为器件的散热衬底，从根源上降低热阻。

金刚石衬底（来源：网络）

金刚石正沿着“从填料到衬底”的路径发展。作为终极性能的补充与局部替代，它在对散热和可靠性有极致要求、且能承受其成本的特定军事、航天、射频和高端计算领域，是不可替代的解决方案。

小结

当前碳纳米管、石墨烯、液态金属、金刚石等前沿导热材料尚未完全替代传统体系，更多以功能补充或局部替代形式融入现有散热方案，针对特定散热场景，努力实现热阻、可靠性、工艺兼容性与成本间的综合平衡。

参考资料：

[1]Cabontech，提升1000倍！碳纳米管芯片重磅新成果！

[2]林少锋,石刚,江大志.石墨烯材料在热管理领域的应用进展[J].科技导报,2023.

[3]Ultra,热管理黑科技之——液态金属

[4]粉体圈，利用金刚石低成本实现高导热：浅谈金刚石导热复合材料

粉体圈七七