石墨具有良好的导电性、导热性、耐热性、耐化学性和润滑性。具有这些特性的石墨适用于各种应用，包括汽车部件、电子设备和OA设备。近年来，电子设备的体质变得越来越小，功能越来越多，对散热的需求也变得更大。因此，在树脂中加入石墨以改善散热性的做法引起了人们的注意，现在已经有很多改善散热性的案例。同时，与金属相比，石墨的比重较低，成本较低，石墨取代其他材料的趋势越来越明显。
通过石墨粉末的球化提升导热性的技术
石墨粉的物理性能及其特性
石墨是具有金属光泽的碳（C）的同素异形体之一（碳同素异形体还有钻石、煤、碳黑、焦炭等）。然而，由于晶体结构不同，它的形状和性能与其他碳同素异形体不同。
石墨的晶体结构是一种层状结构，其中碳原子的六角网平面以有规律的方式堆叠。碳原子之间的键由两种类型的键组成：共价键和范德瓦尔斯力。层状平面内的键（横轴）是碳原子通过共价键（基面）结合的平面，具有很强的结合力，而层间的键（纵轴）是由于范德瓦尔斯力而产生的弱电子键。此外，石墨具有高导电性，因为电子在晶体结构的六角网平面中像自由电子一样移动，但它也像金属一样具有高导热性，因为自由电子充当了热量的媒介。石墨的其他特性包括润滑性、耐热性、耐久性和耐化学性。
换句话说，石墨是一种轻质材料，它结合了陶瓷最典型的特性，如出色的耐热性和耐用性，以及金属的特性，如高导电性和导热性。 由于这些特点，石墨广泛用于各种应用。
塑料的高导热技术的现状
塑料的导热性通常比金属和陶瓷低得多（图1）。
由于这个原因，塑料已在各个领域作为气体的复合材料和热绝缘体。然而，大约20年前，特别是在电子领域，为了改善散热，增加具有良好可塑性的塑料的导热性已成为可取的做法。可是，塑料本身的高导热性是有限制的。因此，把高导热填料混入塑料中以提高其导热性。
铝粉、铜粉和石墨粉被用于导电型的填料，而氮化硼、氮化铝和氧化铝被用于电绝缘型的填料。然而，复合塑料的导热性与导电性不同，不表现出渗流现象，除非达到体积50-60%的高填充率，否则在低填充的范围导热性不会增加很多。不过，高填充物的填充有一个问题，那就是导致成型性极度下降。因此，高导热塑料的热导率往往高达5W/m-K。石墨粉作为一种比重相对较低的填充物，有望充分利用塑料的轻质特性。可是，由于石墨粉一般是扁平的，在成型过程中往往会定向，这样复合膜厚方向的导热性不能得到改善。因此，我们研究了球形石墨粉的使用，发现这个问题可以在一定程度上得到解决。
接下来，介绍石墨粉在高导热塑料中的使用现状，随后解释球形石墨粉的效果和使用的可能性。
使用石墨粉提升导热性能
对填充有石墨粉的塑料和填充有铜和氧化铝粉的塑料的导热性进行了研究。
我们也研究了不同分散方法对填充了石墨粉末的聚乙烯的影响。颗粒的分散性变化很大，取决于制备方法以及填充颗粒和聚合物的性质。即使在宏观上非各向异性和随机分散的情况下，颗粒也可能具有各种短程序，并根据制作样品的方式和连续介质的性质表现出不同的分散状态。因此，尽管理论计算表明分散颗粒的渗透浓度在30体积%左右，然而，根据电导率测量结果，各种颗粒分散的复合系统中的渗透浓度可以从5到30体积%不等。这种分散性的差异也会影响到有效的热导率。另一方面，通常的理论方程假设了 "均匀 "或 "完全分散 "的复合材料的热导率，没有提供分散状态的影响因素。
因此，在许多情况下，尽管有类似的复合系统，但热导率却有很大的不同。例如，当分散状态发生变化，流浓度降低到原值的1/3时，石墨粉（18体积%）复合相同成分的聚乙烯的热导率大约增加一倍。当检查这些电导率时，CVF值（第二填充区开始时的填充物颗粒浓度：电导率对数值与填充物颗粒体积分数关系中的S曲线拐点）也有很大变化。热导率较大时，CVF值较小。这表明，热导率在容易形成连续的填充物颗粒的系统中较大。
我们还发现，填料形状的影响可以用我们的预测方程来解释，分散状态的影响也是如此。石墨颗粒一般是扁平的，在流动方向上排列，热量很容易在薄膜表面的方向上传递，使它们成为很好的导热垫，而且至今仍在普遍使用。然而，由于它们在膜厚方向上的导热性低，它们不适合用于在膜厚方向上有高导热性的应用，如粘合剂和导热板，因此这些应用则会利用塑料的一个特点-柔软性。
这是与金属结合使用的最重要领域之一，如散热片。
因此，研发球形石墨粉，有望减少这些影响。
在此，我们将球形石墨粉与聚丙烯混合，并将其热导率与聚丙烯与普通扁平石墨粉混合的热导率进行比较。如图2所示，在混合扁平石墨粉的情况下，热流倾向于走向表面方向，但我们认为在混合球形石墨粉的情况下，热流也有效地走向厚度方向。当测量膜厚方向的热导率时，混合球形石墨粉的薄膜的热导率显示大于混合扁平石墨粉的薄膜（图3）。填充率越高，这种差异更大。特别是在80wt%时，添加球形石墨薄膜的热导率比添加扁平石墨薄膜的热导率大40-50%。
我们发现，使用球形石墨粉时，各向异性大大降低，可以减少迄今为止石墨粉的缺点。因此，使用球形石墨粉有望提高膜厚方向的导热性，利用石墨粉的轻质等特点，扩大高导热聚合物材料的应用领域。
使用碳基填料的高导热技术的未来前景
碳基添加剂（如石墨粉）像金属一样具有很高的导热性，但其比重相对较低，因此当它们与塑料结合时，可以得到轻质、高导热性的塑料。预计它会用于最近增长的领域，如移动汽车、移动电话和笔记本电脑。它还有望被用作燃料电池的散热材料，因为金属离子不像金属粉末那样在酸性溶液中溶解。
碳材料的范围从热导率与铝一样高的材料到热导率是铜两倍以上的材料，可以根据使用目的选择。因此，包括球形石墨粉在内的各种碳材料有望在需要各种散热性能的领域中作为高导热填料广泛使用。
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