1、.石墨散熱材料技術及市場調研報告一、散熱材料概述1.背景技術隨著科學技術和工業生產的發展，導熱材料廣泛應用于換熱工程、采暖工程和電子信息等領域。同時人們對導熱材料提出了新的要求，希望導熱材料具有優良的綜合性能，如在化工生產和廢水處理中使用的熱交換器既需要所用材料具有良好的導熱性能，又要求其耐化學腐蝕和耐高溫等。近幾年來，在電子電氣領域，由于集成技術和組裝技術的迅速發展，電子元件和邏輯電路的體積成千成萬倍地縮小，則更需要高導熱性能的絕緣材料。傳統的導熱材料大部分為金屬（如Ag、Cu和Al等）、金屬氧化物（如AlO、MgO和BeO等）以及其它非金屬材料（如石墨、炭黑、AlN等）。眾所周知，大多數金

2、屬材料的抗腐蝕性能差，目前采用合金和防腐涂層等技術提高金屬的抗腐蝕性能，盡管這樣提高了金屬的抗腐蝕性能，卻大大降低了材料的導熱性能，因而限制了其在化工等領域的應用。目前所使用的散熱材料基本都是鋁合金，但鋁的導熱系數并不是很高（237W/mK），金和銀的導熱性能較高，但是價格太高，銅的導熱系數次之（398W/mK），但銅重量大，易氧化，且價格也不低。而石墨材料具有耐高溫、重量輕（僅為傳統金屬導熱材料的1/2-1/5）、熱導率高、化學穩定性強、熱膨脹系數小，取代傳統的金屬導熱材料，不僅有利于電子儀器設備的小型化、微型化和高功率化，而且有效減輕電子元件的重量，增加有效載荷。但石墨硬度和機械強度遠不如

3、金屬，這給后續加工帶來了困難。2.散熱材料定義散熱材料是指各類電子元器件或者機械設備中散熱裝置所使用的具體材料。由于各種材料導熱性能的差異，按導熱性能從高到低排列，分別是銀，銅，鋁，鋼。石墨材料是近年新興而起的一種全新的導熱散熱材料，導熱性能非常突出，但是也有較為明顯的缺陷，具體將在下文中列出。3.散熱材料產品分類目前市面常見散熱材料產品主要有以下幾類：3.1散熱膏常被叫做導熱硅脂，實際上應被稱為硅膏，其成分為硅油加填料。以聚硅氧烷為基礎，輔以高導熱填料，無毒無味無腐蝕性，化學物理性能穩定既具有優異的電絕緣性又具有優異的導熱性，同時具有耐高低溫，能在-60250的溫度范圍內 , 長期工作且不會

4、出現風干硬化或熔化現象主要用于填充發熱體與散熱片之間的空隙，提高散熱效果。3.2 散熱膠又稱導熱膠、導熱硅膠。是以有機硅膠為主體，添加填充料、導熱材料等高分子材料，混煉而成的硅膠，具有較好的導熱、電絕緣性能，廣泛用于電子元器件。3.3 散熱片散熱片是一種給電器中的易發熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金，黃銅或青銅做成板狀，片狀，多片狀等，如電腦中CPU中央處理器要使用相當大的散熱片，電視機中電源管，行管，功放器中的功放管都要使用散熱片。一般散熱片在使用中要在電子元件與散熱片接觸面涂上一層導熱硅脂，使元器件發出的熱量更有效的傳導到散熱片上，在經散熱片散發到周圍空氣中去。常見分類有鋁散熱片、銅散熱片

5、、銅鋁結合散熱片、熱管散熱片、鐵散熱片、石墨散熱片。該產品為我組重點調研內容之一。3.4 散熱膜即用在手機上面的一層導熱散熱的薄膜，在行業內又叫石墨散熱膜，導熱石墨膜等等。該產品為我組重點調研內容之一。3.5 散熱涂料是一種提高物體表面的散熱效率，降低體系溫度的特種涂料。按照溶劑不同可分為：有機溶劑型散熱涂料，水性散熱涂料。可廣泛應用與電子產品、LED燈具、電器、工業設備、建筑、水箱、交通工具等需要散熱降溫的物體或需要加強熱交換的地方。二、石墨散熱片及散熱膜技術1.導熱機理固體材料導熱的基本概念 導熱又稱熱傳導，是固體中熱量傳遞的唯一方式。物體導熱的過程可以描述為：當物體的溫度不均勻時，熱能將

6、從高溫部分傳播到低溫部分，使整個物體的溫度趨于一致。石墨散熱片（膜）的重要功能是創造出最大的有效表面積，在這個表面上熱力被轉移并有外界冷卻媒介帶走。石墨散熱片（膜）就是利用本身獨特的晶粒取向，沿兩個方向均勻導熱，平面內具有150-1500W/m-K范圍內的超高導熱性能，將熱量均勻的分布在二維平面從而有效的將熱量轉移，分布到導熱片（膜）的其他部分，保證組件在所承受的溫度下工作。圖2-1 TCGS-S石墨散熱片擴散示意圖片層狀結構可很好地適應任何表面，屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產品的性能。其分子結構示意圖如圖2-2所示。圖2-2 石墨分子結構示意圖石墨具有非常優秀的水平導熱系數，但是石墨的

7、垂直導熱系數（具體參數詳見表2-1）很低，熱量很難散發出去，當發熱量過大的時候，導熱效果反而會很差。表2-1 石墨的理化性質項目天然石墨片人工石墨片厚度很難做到0.1mm最薄可以做到0.03mm導熱系數（水平方向）400W/mK1500W/mK導熱系數（垂直方向）10-20W/mK10-40 W/mK但是和其他常規材料相比，石墨仍有著明顯的優勢，見表2-2。表2-2 常用材料的導熱系數比較圖材料導熱系數W/mK比熱容J/kg·K密度g/cm³鋁2008802.7銅3803858.96石墨水平1001500;垂直10407100.7-2.1通過表2-2可以反映出，石墨較常規的

8、材料有著比較高的導熱系數，這是石墨作為新型散熱導熱材料的基礎。2. 工藝原理當前石墨散熱片（膜）加工生產中，常用的工藝方法是通過對天然石墨粉進行膨脹處理，在處理過后，石墨會具有非常好的導熱、抗老化性能，以及很好的柔韌性。在此基礎上進行薄膜加工，得到性能更加優秀的導熱薄膜，使之能夠更好地在實際中得以應用。3. 技術特點3.1石墨散熱片特性：品特性：表面可以與金屬、塑膠、不干膠等其它材料組合以滿足更多的設計功能和需要。低熱阻：熱阻比鋁低40%，比銅低20%重量輕：重量比鋁輕25%，比銅輕75%高導熱系數：石墨散熱片能平滑貼附在任何平面和彎曲的表面，并能依客戶的需求作任何形式的切割。3.2 天然石墨

9、片通過人為膨脹處理，再經過機械壓膜形成石墨導熱薄片4. 工藝過程4.1 石墨散熱片的制作工藝目前我組調研的高導熱石墨散熱片的制作工藝主要有兩種方法，第一種步驟如下：把含碳元素為99.999以上的磨細石墨粉放入強酸中混合配比進行酸處理，然后在100以上的溫度內浸泡150分鐘；再把經過酸處理的石墨粉水洗至PH值6.6-6.8；然后把石墨粉和金屬粉末、硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑加入到純水中充分混合，把混合物在10001200的條件下高溫膨脹2小時，再緩慢冷卻至室溫后進行干燥，得到石墨化合物；把石墨化合物通過石墨卷材設備擠壓成片狀的石墨散熱片；在石墨散熱片的表面噴鍍上鋁層。具體請參見見報告1一種石墨散熱

10、片的制造方法。另一種制作工藝的步驟請參見2一種高導熱石墨散熱片的制備方法。4.2 超薄石墨紙散熱片的制作工藝反應釜中先加入石墨，溫度達到16后，加入質量分數為70%-95%的硝酸和濃度為20%-50%的雙氧水，石墨在硝酸和雙氧水的作用下，攪拌生成膨脹率300倍的可膨脹石墨產品，經過淋干機脫水，烘干爐烘干；機器篩選分類，選取粒度300微米篩上的可膨脹石墨占90%；步驟所述的可膨脹石墨，通過旋流器進入溫度950的膨脹爐中進行加熱膨脹，膨脹后的蠕蟲狀石墨被抽出膨脹爐進入料倉；根據不同的厚度要求，對蠕蟲狀石墨進行多次壓延，達到最終超薄石墨紙厚度。具體詳見報告3一種超薄石墨紙散熱片及其制造方法。4.3

11、石墨散熱片加工處理在制備好石墨片之后，一般好會在表面涂覆材料以起到一定的其他功效，目前主要的涂層主要有：丙烯類雙面膠（10-30微米）：作用是增強導熱膜的黏著性能，使之更好地與器件接觸、同時具有耐熱、絕緣的作用。PET膜（10-30微米）：作用是起到耐熱、絕緣、耐高電壓。圖2-3 石墨導熱（散熱）片加工處理示意4.4 高導熱石墨膜的制備工藝目前我組調研的高導熱石墨膜的制作工藝主要有兩種方法，分別采用天然石墨、高分子有機物經過一定的流程工藝制成。天然石墨制作高導熱石墨膜的步驟如下：天然石墨提純：a)按質量百分數計將天然石墨85%-95%、復合氧化劑2.5%-7.5%、水糊狀；b）在50-360條

12、件下反應1-18小時；c）加入質量為步驟b）反應后的物料質量的1%-5%的絡合劑；d）加水洗滌至PH呈中性；e）離心脫水、烘干，得到天然石墨粉;2)天然石墨酸化：將提純后的天然石墨粉放入酸處理液中酸化；3）除雜質：酸化后的天然石墨粉放入氫氟酸溶液中浸泡；4）水洗：5）膨化：水洗后的天然石墨粉放入石墨膨脹爐中進行高溫膨脹，而；6）壓延成片：7）碳化：壓延成片的天然石墨膜放置于碳化爐中碳化；8）石墨化：將碳化后的天然石墨膜放置于石墨化爐中石墨化。具體詳見報告4一種高導熱石墨膜及其制備方法。第二種制備工藝如下：選擇聚酰亞胺薄膜作為原材料，在每一層聚酰亞胺薄膜之間夾入石墨紙；將間隔有石墨紙交叉層疊后的

13、聚酰亞胺薄膜放入炭化爐中在氮氣或氬氣環境中碳化，碳化溫度1000-1400，時間控制在1小時-6小時；碳化后進行石墨化，石墨化也是在氮氣或氬氣環境中進行，溫度控制在2500到3000左右，控制在12小時以內。當前常規方法制備的高導熱石墨膜有較明顯的不足之處，高導熱石墨膜雖有一定的耐折性，但材料之間的強度弱，可以輕易被撕裂，或者因為所粘附部件的位移而發生破損現象，或表層物質脫落等。以上方法是為了克服當前不足，而采用高分子聚酰亞胺薄膜作為原材料，經過碳化與石墨化兩個過程，形成的高導熱石墨膜，以上內容僅作為本次調研的輔助內容，借鑒價值不高。5.工藝流程根據4中工藝過程，現將各產品生產工藝簡單圖示如下

14、：5.1 石墨散熱片生產工藝流程石墨粉酸化水洗添加試劑純水混合高溫膨脹室溫干燥擠壓成片表面噴鍍5.2 石墨散熱膜生產工藝流程天然石墨提純酸化壓延成片除雜水洗膨化碳化石墨化6.設備根據不同的產品生產工藝進行區分：6.1 石墨散熱片生產主要設備酸處理類設備、膨脹爐、石墨卷材設備（壓延機）、烘干爐；6.2 超薄石墨紙散熱片生產主要設備反應釜、酸處理類設備、淋干機、烘干爐、篩選機、旋流器、膨脹爐、石墨卷材設備（壓延機）；6.3 石墨散熱膜生產主要設備酸處理類設備、膨脹爐、石墨卷材設備（壓延機）、碳化爐、石墨化爐。7.質量性能石墨散熱片產品目前市面較多，表2-3為常見幾種散熱片產品的物理特性參數。表2-

15、3 石墨烯散熱片的物理特性參數表不同的厚度、耐熱溫度、導熱率的高低決定了產品質量的優劣，國產的石墨導熱片的厚度一般在0.1-1mm之間，而國外產品，如松下，目前已經能夠制備碳層厚度僅為0.01mm的石墨導熱片，在涂覆表面材料之后，厚度也在0.03mm左右，且導熱率高達2000W/mK。8.環境保護根據生產工藝流程，石墨酸處理環節會采用強酸或強氧化性類物質，在酸化完成后，剩余廢料仍具有強酸、強氧化性，需要進一步中和處理。9.質量標準參照 GB10698-89可膨脹石墨 標準三、石墨散熱片及散熱膜市場1.產品用途概述：石墨散熱片（膜）通過在減輕器件重量的情況下提供更優異的導熱散熱性能，能有效的解決

16、電子設備的熱設計難題，廣泛的應用于PDP、LCDTV、NotebookPC、UMPC、FlatPanelDisplay、MPU、Projector、PowerSupply、LED等電子產品。目前石墨散熱片已大量應用于通訊工業、醫療設備、SONY/DELL/Samsung筆記本、中興手機、SamsungPDP、PC內存條，LED基板等散熱等。由于石墨具有金屬材料的導電、導熱性能，同時擁有類似有機塑料般的可塑性，并且具備特殊的熱性能、化學穩定性、潤滑和能涂敷在固體表面的等一些良好的工藝性能，因此，在電子、通信、照明、航空及國防軍工等許多領域都將有更廣闊的應用。2.下游產品解析2.1石墨散熱片在智能

17、手機上的應用智能手機所采用的CPU速度不斷增大，內存容量擴大，操作系統性能提高，超薄的機身，對散熱的要求逐漸增大。目前國內市場上銷售的智能手機越來越多的采用石墨片作為導熱材料，例如蘋果、三星、HTC、小米等等。圖3-1 蘋果手機iphone的應用圖3-2 三星手機i9000的應用圖3-3 小米手機的應用2.2石墨散熱片在筆記本電腦上的應用按照石墨散熱片的特性，并不適合用于現在的處理器和顯卡上，但它可以應用在電路板和其它發熱量小的元件上。石墨散熱片具有很低的導電率和很高的導熱能力，它的垂直導熱能力不亞于導熱硅脂，其水平導熱能力比鋁材還優越。但目前實際產品應用量并不是很大，尚處于起步階段。圖3-4

18、SONY某款筆記本機型的應用2.3石墨散熱片在LED照明中的應用對于大功率LED照明，采用導熱系數好的石墨散熱片，石墨有良好的導熱性能，熱度系數可達到2000w/nk以上，在LED燈具散熱材料中是非常有發 展前景的一種，也是常見的散熱方式。使用合格的石墨散熱片，能夠將燈具的壽命提高5倍以上，而且石墨散熱片技術成熟，使用無風險，穩定的化學性質和散熱性能，已經不止早LED 照明領域使用，在現有技術上的改良，能夠讓它的用途更加廣泛。圖3-5 某LED照明設備的應用（中部黑色圓片部分）3.國內外生產狀況在我國，石墨散熱材料生產布局主要呈兩種類型分布。第一類是以石墨礦產地為主。中國石墨資源分布比較廣，全

19、國20個省（區）有石墨產出，其中黑龍江省擁有可開發石墨儲量2200萬噸多、山東省有可開發石墨儲量1200萬噸，內蒙古有可開發石墨儲量400萬噸；隱晶質石墨分布在湖南省和吉林省。具有典型代表的省份有黑龍江、，上述兩省均有較多的石墨散熱公司及生產基地；第二類是以經濟環境為主，具有典型代表的省份有江蘇、，上述兩省分布有較多的公司經營石墨散熱材料，由于公司分別處長三角及珠三角地區，產品進出口極其便利，銷往全國亦具有優勢，據調查，江蘇省內很多公司以代理銷售為主，其生產工廠基本都設在廣東省，當然也不排除一些江蘇省內有一些自主研發、規模生產、經營銷售的一體化公司。4. 產品產業鏈石墨產品產業鏈示意如下圖3-

20、6所示：礦山開采選礦銷售高純石墨石墨乳可膨脹石墨柔性石墨制品碳素石墨制品冶煉石石墨制品核反應堆屏蔽材料航天零件等導電涂料金屬潤滑劑等石墨散熱材料、柔性石墨鋼錠澆鑄發熱劑等密封填料和密封墊片等耐火材料絕緣材料等用于各種金屬冶煉深加工圖3-6 石墨產品產業鏈5.國內生產廠家規模當前在石墨開采及初級、中級加工環節中，石墨礦產開發龍頭企業是國內的黑龍江奧宇石墨集團、山東青島石墨股份有限公司和內蒙興和縣信義石墨有限責任公司。中國黑龍江奧宇石墨集團已經建成現代化石墨生產線7條，石墨產品的生產能力達8萬噸/年，可以生產高、中、低碳石墨系列產品。山東青島石墨股份有限公司為集科工貿一體的綜合性大型礦山企業，可生

21、產鱗片石墨、微粉石墨、顯像石墨乳、石墨制品和石墨遠紅外保健理療產品等五大系列、三十多個品種石墨產品。內蒙興和縣信義石墨有限責任公司，鱗片石墨生產能力達0.55 萬噸/年。 石墨深加工環節中，國內大多數公司聚焦程度不高，業務普遍涉及多條深加工環節，產品種類用途也呈現多樣化。在散熱材料生產研發方面，國內技術并不算成熟，公司規模也比較有限。但近年來，很多公司企業已經關注到了石墨散熱材料未來的發展前景，紛紛進行投資布局并有已有產品面世銷售。我們目前已知的公司于下表3-1列出：表3-1 國內進行石墨烯散熱材料研究的公司省份公司名稱黑龍江奧宇石墨集團青島黑龍石墨有限公司、青島海達石墨有限公司、天諾光電材料

22、股份有限公司常州碳元科技發展有限公司、無錫北龍電子材料廠、蘇州蘇旺電子科技有限公司、蘇州市達昇電子材料有限公司、蘇州沛德導熱材料有限公司、昆山裕凌電子科技有限公司、揚州華夏集成光電有限公司、太倉市凱諾石墨密封制品有限公司深圳市鴻富誠屏蔽材料有限公司、深圳市跨越電子有限公司、深圳市佳日豐電子材料有限公司、東莞市偉誠科技有限公司上市公司中，蘇州安潔科技股份有限公司將石墨散熱片作為新投產產品,已于今年進行小規模量產，據傳安潔科技的客戶中有例如魅族、小米等國產手機公司。國外市場中，日本Panasonic已于去年9月宣布掌握全新的超薄石墨散熱技術，并有產品面世。日本WIDEWORK公司對石墨散熱材料領域

23、也有很深的研究，并占有一定的市場。6.市場產品價格調查表3-2 石墨烯散熱片市場價格序號產品名稱型號規格價格生產廠商1石墨散熱片DSN50024.00元/平方米蘇州市達昇電子材料有限公司2石墨散熱片520 （0.08mm 0.2mm）26.50元/平方米蘇州市達昇電子材料有限公司3導熱石墨片KN-GTS （0.03 mm -0.3 mm）3.00元/片太倉市凱諾石墨密封制品有限公司 4高導熱手機石墨散熱片石墨片HGS系列1.00元/片深圳市鴻富誠屏蔽材料有限公司5手機專用散熱石墨片0.2mm*100mm*200mm23.00元/片無錫北龍電子材料廠6手機專用散熱石墨片厚0.15mm*長100m

24、m*寬200mm10.00元/片深圳市佳日豐電子材料有限公司市面銷售的石墨產品種類很多，規格及價格也多樣化，分析難度較大。今后如進行專項調研，可進一步了解細分類產品價格市場，做專門分析。7.市場結構分析7.1 市場集中度分析7.11 行業集中率從行業集中率來看，目前國內從事石墨散熱材料生產的企業數量較小，行業產品并未明顯集中于少數生產規模、生產技術具備優勢的碳素企業手中，行業中生產企業平均生產能力無明顯差異。因此我組判斷目前國內石墨散熱行業集中率較低。7.12 影響市場集中度因素分析產品技術復雜，生產難度大：即產品技術含量較高，前期研發成本高，生產環節工藝復雜，所需設備及零備件要求較高，同時對

25、企業技術人員的要求也較高。受原材料供應制約：一些行業產品的生產基地必須建在原材料所在地周圍，可以降低成本。由業內廠家的綜合實力所決定：業內主要生產企業的綜合實力并未出現一枝獨秀的局面，競爭力優勢不明顯。7.2 產品市場進入壁壘7.21 進入壁壘分類進入壁壘指阻礙企業進入特定市場的各種因素總和。包括消費者偏好、對重要資源的占有權、企業對關鍵生產技術的壟斷、政府的政策或者法律限制、顯著的規模經濟等。行業的進入壁壘越高，市場的保護程度就越高，其競爭度也就越低，越有可能形成大企業支配市場行為。7.22 進入壁壘分析我組判斷，目前我國石墨散熱材料行業的進入壁壘主要是由產品技術和產品差別形成的：由產品技術形成的進入壁壘石墨散熱材料產品的性能要求較高。這種特點決定了石墨散熱材料高研發和高試制費用，高資產專用性和高流動資金占用。同時具有比較高的