在室温下，石墨的热导率不是一个单一的数值，而是在一个宽泛的范围内，对于常见的工业形态，通常在 25 到 470 瓦特每米开尔文 (W/m·K) 之间。像热解石墨这样高度专业化的形态，其面内导电性可以达到惊人的 2000 W/m·K，甚至超过铜。
理解石墨热导率的关键在于认识到其显著的各向异性。材料的层状原子结构使其沿着其平面导热性能极佳，但垂直于平面导热性能很差，这意味着“正确”的值完全取决于石墨的类型和测量的方向。
为什么石墨的热导率差异如此之大
用一个单一的数字来描述石墨的热性能是具有误导性的。您使用的数值完全取决于材料的具体等级和预期应用，因为有几个因素会极大地改变其性能。
各向异性的关键作用
石墨的结构由强键合的碳原子层（石墨烯片）组成，这些层之间通过弱键连接。这为热量提供了两条截然不同的传导路径。
面内导电性（基面）极高。热量沿着这些层快速传输，阻力极小，类似于水流过宽阔、开放的渠道一样顺畅。
穿面导电性（垂直于层）要低得多。热量必须在弱键合的层之间“跳跃”，造成主要的瓶颈。这就像试图跨越一系列不连续的深谷。
形态和等级的影响
不同的制造工艺会产生截然不同的结构，从而产生不同的热性能。
热解石墨高度有序，其层平行排列。这导致了极端的各向异性，面内导电性通常超过 1500 W/m·K（是铜的 4 倍），而穿面导电性低至 10 W/m·K（类似于不锈钢）。
各向同性石墨的形成是为了使晶粒取向更加随机。这平均化了方向性特性，从而在所有方向上产生更均匀但总体较低的导电性，通常在 85-130 W/m·K 的范围内。
天然石墨片的数值根据薄片尺寸和纯度而变化。单个薄片具有很高的面内导电性，但当它们被压在一起时，整体导电性受到它们之间较差的穿面传热的限制。
密度和纯度的影响
较高的密度意味着材料内部的孔隙或空隙较少。由于空隙充当绝缘体，密度越大的石墨部件通常具有更高的热导率。
晶体结构中的杂质和缺陷会干扰热量传递的路径（声子散射）。因此，更高纯度的石墨等级通常表现出更优越的热性能。
常见的误区和误解
在没有背景信息的情况下简单地将石墨与金属进行比较，可能会导致错误的设计选择。其独特的性能带来了必须理解的特定权衡。
误解 1：它总是比铜好
虽然高等级热解石墨的面内导电性可以达到铜的四倍，但其穿面导电性通常比铜差 20 到 40 倍。
如果您的应用要求将热量从热源传导出去（穿过材料的厚度），那么一块实心的铜或铝可能更有效。
误解 2：导电性总是随温度升高而增加
对于室温附近的晶体石墨来说，这个说法通常是错误的。
大多数石墨形式的热导率在接近或略低于室温时达到峰值，然后随着温度进一步升高而下降。这是因为在较高温度下，原子振动（声子）开始相互散射，阻碍了热量的流动。
为您的目标做出正确的选择
选择正确的石墨形式需要将其中各向异性的特性与应用中热流动的基本方向相匹配。
- 如果您的主要重点是将热量在表面上铺展（2D）： 选择高度取向的材料，如热解石墨片。其卓越的面内导电性非常适合电子设备中的散热器。
- 如果您的主要重点是在所有方向上均匀传热（3D）： 选择各向同性或模压合成石墨。这最适合加热元件、坩埚或模具等需要恒定温度的应用。
- 如果您的主要重点是通过一个块进行垂直热传递： 高密度合成石墨块可能适用，但请注意，对于这项特定任务，铜或铝等金属几乎总是表现更好。
归根结底，将石墨视为规格表上的一个简单数字是错误的；理解其方向性是利用其卓越热性能的关键。
摘要表：
| 石墨类型 | 典型热导率 (W/m·K) | 关键特性 |
|---|---|---|
| 热解石墨 | 面内：1500-2000，穿面：~10 | 高度各向异性，适用于 2D 散热 |
| 各向同性石墨 | 85-130（所有方向） | 均匀的性能，适用于 3D 应用 |
| 天然石墨片 | 根据薄片尺寸/纯度变化很大 | 每片具有很高的面内导电性 |
| 常见工业石墨 | 25-470 | 范围广，取决于密度和纯度 |
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