盘点：5G市场，谁是最佳散热材料？

主流散热材料，单手机用量为 3~6 片
石墨是相较于铜和铝等金属更好的导热材料，主要原因在于石墨具有特殊的六角平面网状结构，可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。

在水平方向上，石墨的导热系数为300~1900W/（m〃K），而铜和铝的导热系数约为200~400W/（m〃K）。

在垂直方向上，石墨的导热系数仅为5~20W/（m〃K）。因此，石墨具备良好的水平导热、垂直阻热效果。

同时，石墨的比热容与铝相当，约为铜的2倍，这意味着吸收同样的热量后，石墨温度升高仅为铜的一半。

此外，石墨密度仅为0.7~2.1g/cm3，原低于铜的8.96g/cm3和铝的2.7g/cm3， 因此可以做到轻量化，能够平滑粘附在任何平面和弯曲的表面。

基于高导热系数、高比热容和低密度等性能优势，石墨自2009年开始批量应用于消费电子产品，2011年开始大规模应用于智能手机，目前已经取代传统金属，成为消费电子领域主流的散热材料。

理论上，石墨膜越薄，导热系数越高。早期石墨膜厚度主要介于20~50µm之间，其水平轴的导热系数介于 300~1,500W/(m〃K)。
随着技术改善，石墨膜的加工工艺更加成熟，目前最薄可到 0.01mm，其水平轴的导热效率也高达1,900W/(m〃K)。

然而，石墨散热片并不是越薄越好，关键是要将功率器件和散热器之间的缝隙填满。因此，不同应用场景下使用的石墨散热膜各有不同。 
主流的散热膜有天然石墨散热膜、人工合成石墨散热膜和纳米碳散热膜三种。

（1）天然石墨膜：完全由天然石墨制成，在真空条件下不会发生脱气现象，在400℃以上的温度也可继续使用，最低能做到 0.1mm 左右，主要应用在数据中心、基站和充电站等。
（2）人工石墨散热膜：由聚酰亚胺（PI 膜）经过碳化和石墨化制成，是当前最薄的散热膜材料，最薄可做到 0.01mm，广泛应用于手机、电脑等智能终端产品。 
（3）纳米碳散热膜：由纳米碳（石墨同素异构体）制成，最薄可做到0.03mm，散热功率可高达 1000~6000。由于纳米碳散热膜加工工序简单，只需要开模和冲切，成本低售价也低。

智能手机中主要使用人工合成石墨膜，用量视手机性能和要求而定，大概在3~6 片，使用到的部件包括镜头、CPU、OLED 显示屏、WiFi 天线、无线充和电池等。

其中CPU对散热的性能要求最高，其次是无线充，再次是镜头和电池，最后是显示屏和 WiFi 天线。

目前，高导热石墨膜的价格约为 0.2~0.3 美金/片。初步估算，单机石墨膜价值量为 1~2 美金。未来， 随着智能手机更多创新型的电子化设计，单机石墨膜价值量有望进一步提升。

目前导热石墨膜行业主要参与者为日本松下、美国Graftech、日本 Kaneka、碳元科技、中石科技和飞荣达等国内外企业。

日本松下和美国 Graftech 进入该领域较早，技术较为成熟，是先行者。国内碳元科技、中石科技和飞荣达等技术成熟且相对领先，并且成功进入三星、华为等主要手机生产商的供应链体系。

由于行业进入门槛相对较低，众多厂商参与进来，导致价格竞争激烈，产品价格持续走低。根据碳元科技和中石科技招股说明书等公告披露，2014 年以来，单层和多层高导热石墨膜价格持续下滑，已经从2014年400元/m2下降至2017年的180元/㎡左右。

PI膜是人工石墨膜的核心材料，高端产能集中在国外厂商手中 

智能手机中广泛使用的人工石墨散热膜是由聚酰亚胺（PI 膜）经过碳化和石墨化制成的。从生产工艺的角度来说，主要经过6道工序，依次是基材处理、碳化、石墨化、压延、贴合、模切。

其中，碳化指的是高温下将 PI 膜的结构分子径向排列打乱，羰基断裂，非碳成分全部或大部分挥发，最后形成乱层结构的聚酰亚胺碳化膜（一种多环化合物）。

石墨化则是进一步在高温下将多环化合物分子重整，有序性增大，无序性减少，向六角平面的层状石墨结构转变，最后形成高结晶度的大面积石墨原膜。碳化和石墨化之后，再经过压延（挤压延展形成柔软且高密度的石墨原膜）、 贴合（在上下表面贴覆离型膜和保护膜）和模切（加工和切割使材料定制零部件），最终形成满足需求的高导热石墨膜成品。

聚酰亚胺、胶带和保护膜等是上游关键原材料，其中又以聚酰亚胺（PI膜）为主，成本占比高达 30%。

PI膜是一种高性能的绝缘材料，可广泛应用于卫星导航、数码产品、计算机、手机等领域。该产品具有较高的技术壁垒，全球范围内生产厂商较少，高端主要有美国杜邦、日本Kaneka、韩国SKPI 等，其中美国杜邦公司占据全球40%以上的高性能聚酰亚胺薄膜市场，是PI膜厂商龙头，产品品种齐全，能够满足各类PI薄膜应用需求。国内厂商主要生产低端产品。

1. 导热系数最高、导电性能好，下游锂电材料和导热膜空间巨大 
石墨烯是已知的导热系数最高的物质，理论导热率达到 5300W/m〃K，远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体，厚度仅为 0.335nm，又称为单层石墨，是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准，单层石墨烯指由一层碳原子构成的二维碳材料。

石墨烯的快速导热特性与快速散热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能 LED 照明、超薄 LCD 电视等散热。

除高导热性之外，石墨烯还有其他优异的理化特性，因此下游应用广泛。例如：

• 导电性高，可应用在集成电路、 导电剂、传感器和锂电等领域；

• 比功率高，可作为超级电容和储能元件；

• 柔性强，弯折不影响性能，可作为柔性材料用于曲面屏和可穿戴设备；

• 具有高透光率，可用于透明导电薄膜。 

石墨烯产品形态包括薄膜和粉体两类，石墨烯粉体的应用领域包括：

• 锂电池正负极材料 的导电添加剂，可以提高充放电速度和循环性能；

• 超级电容的电极材料，储能活性强且循环性能优良；

• 特征涂料，作为添加剂掺杂在防腐涂料、散热涂层和导电涂层中改善涂 料性能；

• 高效催化剂，应用于能源化工领域。

石墨烯薄膜的应用领域包括：
（1）导热膜，用于智能手机和平板电脑等的散热层；（2）柔性显示，用于柔性显示屏和可穿戴设备等领域； （3）传感器材料，用于可穿戴设备、医疗和环境监测等领域；（4）集成电路基础材料，用于超级计算机、高频芯片和精密电子元件等领域。

锂电材料和导热膜有望成为最大的下游应用。

华为在2019年发布的Mate 20 X智能手机中， 首次将石墨烯用做散热材料，石墨烯锂电池也有望在手机端实现商用推广。从市场规模来看，根据中商产业研究院的测算，锂电池材料的市场空间最大，有望达到40~50亿元，其次是导热膜，有望达到 15~20 亿元，此外复合材料的市场空间也在20亿元左右。

根据中国石墨烯产业联盟的统计，我国石墨烯产业规模从2015年的1630万美元增长到2016年的3842万美元。随着石墨烯量产的解决和下游的拓展，预计2020年我国石墨烯市场规模将达到2亿美元，超过全球市场的50%，成为最大的石墨烯消费国家。

2. 我国石墨烯产业全球领先，参与者众多 

石墨烯的相关研究从1994年开始出现，2004年英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯，并于2010年诺贝尔物理学奖。

近年来，石墨烯研究持续走热，专利数量不断增加，同时产业化进程也在不断推进。

我国石墨烯理论研究和产业化均位居世界前列。理论研究方面，根据石墨烯产业联盟的数据，截止2016年，在全球主要优先权专利申请统计中，我国石墨烯专利占比达58%（其次是韩国和美国）；产业化方面，石墨烯在战略前沿材料中占据关键地位，中国计划实现石墨烯产业“2020年形成百亿产业规模，2025年整体产业规模破千亿”的发展目标。

根据中国石墨烯产业联盟的统计，中国石墨烯生产企业已经从2015年的300多家增长到2016年的400多家。在石墨烯导热膜方面，常州富烯技术领先并最先在智能手机中实现商用。根据常州市武进区政府官网，该公司生产的石墨烯导热膜已经广泛应用至华为 mate 20 系列、P30 系列等多款终端产品。

3. 制备方法众多，CVD 法发展前景良好 石墨烯的上游包括石墨等资源、设备和系统等，下游应用领域包括导热、导电、柔性显示屏和油墨涂料等，中游有石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种产品形态。

石墨烯粉体和石墨烯膜在制备方法上有显著差异。

总体来看，石墨烯的制备方法包括物理法、化学法和生物法。其中，物理法主要有机械剥离法、液相剥离法和气相剥离法；化学法包括氧化还原法、气相沉积法（CVD）和 SiC 外延生长法；生物法包括氧化还原法。

石墨烯粉体主要由机械剥离法、液相剥离法、气相剥离法和氧化还原法制备，石墨烯膜主要由机械剥离法、气相沉积法（CVD）和外延生长法制备。

从技术成熟度和规模量产的角度看，氧化还原法下，石墨烯粉体的层数最少，并且工艺流程相对简单；CVD 法下石墨烯膜的尺寸最大，因此成为产业化和发展前景较好的两个方向。

1. 配套的导热填充材料，应用场景众多且不可或缺
导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），是常见散热方式中的一种，普遍用于 IC 封装和电子散热。

在组装微电子材料和散热器时，它们之间存在极细微的凹凸不平的空隙， 如果直接进行安装，它们之间的实际接触面积只有散热器底座面积的10%，其余均为空气间隙。

而空气是热的不良导体，将严重阻碍热量的传导，最终造成散热器的效能低下。导热界面材料的作用是充满这些空气间隙，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，减少传热热阻，提高散热性能。

导热界面材料种类众多，主要包括导热硅脂、导热硅胶片、导热相变材料和导热双面胶。其中，导热硅脂具有良好的流动性，可以以点胶、印刷等方式臵于发热器件上，适用于更小间 隙或零间隙使用的导热功能复合材料。

导热硅脂具有超低的热阻，因此适用于高发热量紧密贴合场景，具有导热产品最低的使用厚度，可以快速将设备热量传输出去从而达到良好的温控。此外，视不同场景和需求，导热硅胶片、相变材料和双面胶也都有广泛应用。

智能手机单机 TIM 的用量不大，但价格较石墨膜更高。根据中石科技招股说明书，2017 年合成石墨的单价为 129.94 元/平方米，而TIM 导热材料的单价为 783.35 元/平方米。根据我们的估算，智能手机单机 TIM 的价值量约为 0.5~2.5 美金。

2. 国内厂商不断涌入，市场竞争格局日益充分 

根据 BCC Research2015 年发布的报告，全球热界面材料市场规模将从 2014 年的7.16 亿 美元提高至2020年的11亿美元，2014~2020 年期间年复合增长率为7.28%。

根据Credence Research 2016 年发布的报告，2022 年全球热界面材料市场规模预计达 17.11 亿美元， 2014~2022 年期间年复合增长率为12.0%。工业和信息化部数据显示，2016 年全球导热界面材料市场规模最大的国家是中国，占比45%，预计到 2020 年占比将提升至53%。

国际市场上，导热界面材料领域已经形成了相对稳定的市场竞争格局，以 Chomerics 和 Bergquist 为代表的美国和欧洲公司在国际及国内中高端市场上处在垄断地位。

国内市场上， 在巨大的市场需求刺激下，近年来生产企业的数量迅速增加，但由于我国导热领域起步较晚，绝大多数企业品种少，同质性强，技术含量不高，多以价格战方式抢占市场。

另一方面，由于高端产品技术仍垄断在欧美及日本等少数企业中，国内众多导热界面材料生产厂家仍以低端产品输出为主，销售额仅占市场总额 10%左右。

3. 制备工艺种类丰富，多样化满足各层次散热需求 

导热界面材料的制作工艺种类丰富。以石墨相变导热硅脂为例，从熔融石蜡开始，一共经历5道程序，最终得到高导热硅脂。这一制备工艺简单易行，制作难度低，材料之一纳米多孔石墨对高精度石蜡有高吸附性，使用寿命长。最终产品高导热硅脂能够高效降温，同时能重复使用。

复合导热硅脂的制作工艺相对复杂，它主要利用碳纳米管的特殊性质，与氧化铝一起在胶体内形成导热网络，最终产品复合导热硅脂的导热系数明显高于现有技术的导热硅脂，导热性能表现优异。

导热界面材料上游包括结构稳定剂、防腐添加剂、硅胶、氧化铝和稠化剂等，这些材料大部分都能够通过市场化采购取得，市场供应充足，不存在稀缺性，因此上游议价能力较弱。下游应用十分广泛，主要包括通信设备、电子设备、汽车和家用电器等领域。

除了传统的下游行业对导热界面材料具有增长的需求外，新兴的技术和行业对导热界面材料的需求也在不断增加。根据工业和信息化部预测，2021 年 VR 对导热界面材料将达到 37.8 亿人民币，2016 年至2021年年复合增长率高达 99.37%；2021 年新能源汽车对导热界面材料需求将达到 122.4 亿人民币，成为需求量最大的下游领域之一，年复合增长率达 44.84%。