在如今这个芯片性能不断提升、电子设备日益精密、航空航天技术快速发展的时代，高效散热已成为制约技术进步的关键瓶颈之一。而一种名为石墨烯的二维材料，正以其卓越的导热能力，成为解决热管理难题的“明日之星”。

什么是石墨烯？为何导热如此出众？

石墨烯是由碳原子紧密排列组成的二维材料，是性能优异的纳米填料。其碳原子通过sp²杂化连接，形成极其稳定的结构。这种结构不仅让电子能自由穿梭，更使得声子——热量传递的主要载体——能够在平面内进行近乎无阻碍的高速运动。正因如此，单层石墨烯的理论导热系数高达5300 W·m^-1·K^-1，是铜的十倍以上，是目前已知导热性能最优异的材料。

石墨烯结构示意图

影响石墨烯导热系数的关键因素

实际应用中需要考量多种因素对石墨烯实际导热性能的影响：

厚度与尺寸：随着石墨烯层数增加，声子散射加剧，导热率下降，五层以上便接近块体石墨的水平；平面方向上尺寸越大，声子平均自由程越长，边缘散射效应越弱，导热性能越好。

缺陷：空位、晶界等缺陷会加剧声子散射，缺陷密度越高，导热率下降越明显。

含量与分散：适量且均匀分散的石墨烯能形成有效导热网络；含量过低导热通路不足，过高则易团聚，反而削弱性能。

石墨烯导热多元应用场景

1、导热薄膜

（1）还原氧化石墨烯膜

将石墨烯组装成具有微纳效应的宏观尺度结构是其作为热管理材料应用的重要途径，其中氧化还原法制备还原氧化石墨烯膜（rGO）的应用最为广泛。

还氧化石墨烯法生产石墨烯散热膜工艺流程（来源：富烯科技）

通过氧化还原法制备的高导热石墨烯膜已经应用于飞行器、高性能电子产品的散热领域。华为等公司已经将石墨烯膜导热层应用于华为Mate20X手机、MatePad-Pro5G平板等产品，其中MatePadPro 5G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）

（2）碳纳米管/石墨烯复合膜

作为典型的二维材料，石墨烯膜厚度方向的热导率比面内方向小2个数量级。因此，研究者通过在石墨烯膜层间引入碳纳米管等一维结构，构建共价键结合的三维石墨烯复合膜，以提高复合膜厚度方向的导热性能。

石墨烯复合膜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。

CNTs/石墨烯结构示意

2、导热复合材料

将石墨烯作为填料加入聚合物（如环氧树脂、硅橡胶、石蜡等）或金属（铝、铜等）基体中，能显著提升复合材料的热稳定性与导热性。这类材料在航天热防护、电子封装、高散热导线（如铝基电缆）等领域前景广阔。

石蜡/石墨烯相变复合材料的数码照片和SEM图

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石墨烯包覆树枝状铜粉

3、热界面材料

芯片散热的关键在于填充微小空气间隙。传统填料导热有限，而添加石墨烯的导热垫片、凝胶能大幅降低界面热阻，提升整体散热效率，是下一代高功率电子器件散热的理想选择。

石墨烯导热垫片

4、高导热石墨烯纤维

通过湿法纺丝将石墨烯有序组装成纤维，兼具优良的力学、电学与热学性能。可用于制造轻质高强度导线、智能穿戴织物、柔性传感器、纤维状超级电容器、纤维状电池等，实现“纤维即器件”的创新构想。

石墨烯纤维作为导线、功能织物、传感器和致动器

5、散热涂层

将石墨烯制成涂料喷涂于金属表面，能显著增强热辐射效率。尽管实际涂层导热系数因分散和粘结剂影响低于理论值，但其散热性能仍远超传统石墨涂层，适用于芯片、精密电机等高端散热场景。

石墨烯散热涂料应用场景（来源：墨睿科技）

结语

尽管石墨烯导热应用已取得令人瞩目的进展，但仍面临量产成本高、工艺复杂性、界面优化等挑战。从手机散热到卫星温控，从柔性电子到航天材料，石墨烯正以其独特的二维魅力和强大的热管理能力，悄然推动着一场静默的“导热革命”。

参考文献：

[1] 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.

[2] 张志远,柏家奇,饶昌铝,等.石墨烯导热测试方法、影响因素及其应用研究进展[J].复合材料学报,2024.

[3] 宋厚甫,康飞宇.石墨烯导热研究进展[J].物理化学学报,2022.

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[5] 蹇木强,张莹莹,刘忠范.石墨烯纤维：制备、性能与应用[J].物理化学学报,2022.

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