グラファイトの熱伝導率とは？高性能な熱伝導能力を解き明かす

グラファイトの熱伝導率は、その結晶構造と配向によって大きく変化する。結晶性が高く、応力アニールされた熱分解グラファイトの場合、ab方向（グラフェン面に沿った方向）の熱伝導率は4180W/m・Kに達する。この高い熱伝導率により、グラファイトは高温環境など効率的な熱放散を必要とする用途に最適な材料となっている。また、導電性や耐熱性など、グラファイト独自の特性は、特殊な産業用途への適性をさらに高めています。

キーポイントの説明

黒鉛の熱伝導率:
- グラファイトの熱伝導率は異方性が大きく、測定方向によって変化する。
- ab方向（グラフェン平面に沿う方向）の熱伝導率は、最大で 4180 W/m-K 結晶性が高く、応力アニール処理された熱分解黒鉛の場合。
- この値は非常に高く、黒鉛を非金属材料の中で最も優れた熱伝導体の一つにしている。
熱伝導率に影響を与える要因:
- 結晶構造:熱分解黒鉛のような結晶性の高い黒鉛は、炭素原子が規則正しく配列しているため、高い熱伝導率を示す。
- アニール処理:応力アニールによってグラフェン層の配向が改善され、熱伝導性がさらに向上する。
- 配向:熱伝導率は、グラフェンの面（ab方向）に沿って、c軸（面に垂直な方向）に比べて著しく高い。
高熱伝導性の用途:
- 放熱:グラファイトは、ヒートシンク、熱インターフェース材料、および効率的な熱伝達が重要なその他の用途に使用されます。
- 高温環境:熱安定性と導電性により、炉、原子炉、航空宇宙部品での使用に適している。
- エレクトロニクス:グラファイトの熱伝導性と電気伝導性の2つの特性は、電子機器やバッテリーに活用されている。
黒鉛のその他の特性:
- 電気伝導率:黒鉛は、その構造中の非局在化電子により電気を通す。
- 耐熱温度:真空または不活性ガス下で高温でも安定性を保ち、過酷な条件に最適。
- 潤滑:滑りやすい性質があるため、高温や真空の環境では固体潤滑剤として機能する。
他の素材との比較:
- グラファイトのab方向の熱伝導率は、銅（～400W/m・K）やアルミニウム（～200W/m・K）など多くの金属を上回る。
- しかし、c軸方向の熱伝導率ははるかに低く、通常5～10W/m・K程度であり、その異方性が強調されている。

まとめると、グラファイトの熱伝導率、特にab方向の熱伝導率は非常に高く、高結晶性で応力アニールされた熱分解グラファイトでは4180W/m・Kに達する。この特性は、電気伝導性と耐熱性と相まって、黒鉛を様々な産業における高性能用途のための万能材料としている。

総括表

プロパティ	詳細
熱伝導率（ab）	最大4180W/m・K（グラフェン平面に沿って）
熱伝導率（c）	5-10 W/m・K（グラフェン面に垂直な方向）
結晶構造	高結晶性、応力アニール熱分解黒鉛が導電性を高める
用途	ヒートシンク、熱インターフェース材料、炉、エレクトロニクス、航空宇宙
その他の特性	電気伝導性、耐熱性、潤滑性