从根本上说，使用石墨进行热传导是因为它沿着其平面具有极高的导热性，通常超过铜，同时重量也轻得多。这种独特的组合使其能够快速地将热量从集中热源扩散开来，使其成为现代电子产品和其他高性能热管理应用中的关键材料。
理解石墨热性能的关键在于其原子结构。它是高度各向异性的，这意味着它在两个维度（面内）上传热性能极佳，但在第三个维度（面间）上传热性能很差，使其成为一种用于散热而非通过屏障传导热量的专业材料。
石墨热性能背后的科学
要真正利用石墨，我们必须首先了解它为什么与铜或铝等传统材料表现如此不同。答案在于其独特的层状晶体结构。
各向异性的原子结构
石墨由堆叠的碳原子层组成，这些原子以六角形晶格排列。每一层被称为石墨烯片，具有极其牢固的原子键。
把它想象成一副扑克牌。沿着牌堆滑动顶牌（面内）很容易，但要将手指直接穿过整副牌（面间）则困难得多。
声子：热量的载体
在石墨等固体材料中，热量主要通过称为声子的晶格振动来传递。
每个石墨烯层内强大的面内键允许这些声子以很小的阻力长距离传播。这导致了沿着该层具有超高的导热性。相反，层与层之间较弱的键会散射声子，严重阻碍热量从一层传到另一层。
面内导热性与面间导热性
这种结构差异造成了巨大的性能差距。高质量合成石墨的面内导热性可高达 1,500-2,000 W/m·K，是铜（约 400 W/m·K）的四到五倍。
然而，其面间导热性通常低于 20 W/m·K，使其在该方向上更像是一种绝缘体。这种极端差异是石墨在热应用中的决定性特征。
热管理中石墨的常见形式
“石墨”不是单一材料，而是一系列产品，每种产品都是针对特定用例设计的。
天然石墨片
这些是通过压缩和加工开采的石墨制成的。它们在性能、柔韧性和成本之间提供了很好的平衡。在笔记本电脑和智能手机散热器等应用中，它们通常会与塑料薄膜层压，以提高耐用性和易于处理。
热解石墨片 (PGS)
这是一种合成的人造石墨，其晶体结构经过高度有序化设计。PGS 提供最高的面内导热性，是散热来自 CPU 和功率放大器等小型、高强度热点的首选材料。
柔性石墨箔
通过剥离和重新压缩天然石墨制成，这种形式具有高度的顺应性和弹性。虽然其导热性低于 PGS，但它非常适合制作需要同时填充间隙并传递热量的热密封垫和密封件。
了解权衡
石墨的独特性能非常强大，但也伴随着每位设计师都必须考虑的关键局限性。
各向异性：一把双刃剑
石墨是热扩散器，而不是整体导体。如果您的目标是将热量从一侧穿过一个厚屏障，那么一整块铜或铝的性能几乎总是优于石墨。不正确地使用石墨可能会无意中形成一个热屏障。
机械脆性
在其原始形式中，薄石墨片可能很脆，在没有破裂或剥落的情况下难以处理。这就是它们经常与聚合物薄膜层压的原因，这增加了一个加工步骤和界面处少量的热阻。
导电性
石墨是优良的电导体。在电子产品中，这意味着石墨散热器如果直接接触裸露的电路可能会导致短路。正确的设计需要添加一层薄的电介质（电绝缘）层，这必须在热预算中加以考虑。
成本和复杂性
高性能热解石墨片比传统的铝或铜散热器的生产成本要高得多。其实施需要对热设计有更深入的了解，以确保它们得到有效利用。
为您的应用做出正确的选择
选择正确的导热材料完全取决于您的主要工程目标。
- 如果您的主要重点是从小而集中的热点扩散热量： 由于其无与伦比的面内导热性，高性能热解石墨片 (PGS) 是理想的解决方案。
- 如果您的主要重点是具有低重量的通用热扩散： 适用于许多消费电子产品的层压天然石墨片提供了具有成本效益且可靠的选择。
- 如果您的主要重点是向所有方向均匀传导热量： 铜或铝等传统各向同性材料是您应用的正确选择。
- 如果您的主要重点是在密封间隙的同时提供导热路径： 柔性石墨箔专门设计用于贴合表面并解决这一双重挑战。
通过了解石墨根本的各向异性，您可以有效地利用其卓越的性能来解决最具挑战性的热管理难题。
摘要表：
| 属性 | 石墨（面内） | 铜 |
|---|---|---|
| 导热系数 | 1,500 - 2,000 W/m·K | ~400 W/m·K |
| 重量 | 轻巧 | 重 |
| 主要用途 | 热扩散 | 整体传导 |
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