تعرف على الموصلية الحرارية للجرافيت

يُعد الجرافيت مادة كربونية رفيعة المستوى في علم المواد، وتتمتع بخصائص فريدة تلعب دورًا رئيسيًا في صناعات متعددة. وتحدد خصائص توصيله الحراري خصائص تبديد الحرارة والإدارة الحرارية وغيرها من التطبيقات. ويوفر دعماً قوياً لتطوير العلوم والتكنولوجيا الحديثة.

هيكل الجرافيت وأساس التوصيل الحراري

التركيب البلوري للجرافيت

يحتوي الجرافيت على بنية بلورية نموذجية ذات طبقات، وترتبط كل طبقة بروابط تساهمية بين ذرات الكربون لتكوين بنية شبكية مستوية من الأشكال السداسية المنتظمة. هذه الرابطة التساهمية داخل المستوى تجعل قوة الارتباط بين ذرات الكربون قوية للغاية. والذرات مرتبة بإحكام ومنتظمة. وتتفاعل الطبقات مع بعضها البعض من خلال قوى فان دير فال الأضعف. وهذه القوة الضعيفة تجعل من السهل نسبيًا الانزلاق بين الطبقات. وتوفر الرابطة التساهمية القوية في الطبقة قناة فعالة لتوصيل الحرارة. بينما تعيق قوة فان دير فالس بين الطبقات التوصيل الحراري إلى حد ما. لذا تُظهر الموصلية الحرارية للجرافيت تباينًا واضحًا في التوصيل الحراري.

المفهوم الأساسي للتوصيل الحراري

تشير الموصلية الحرارية، معبراً عنها بوحدة W/(m-K)، إلى الحرارة التي تمر عبر وحدة المساحة الرأسية في وحدة الزمن عند وحدة تدرج درجة الحرارة. وتتمثل أهميتها الفيزيائية في قياس قدرة المادة على توصيل الحرارة. وكلما كانت الموصلية الحرارية أعلى، كلما كانت المادة أسهل في توصيل الحرارة. وفي التطبيقات العملية، تُعد الموصلية الحرارية أمرًا حاسمًا في اختيار المواد وتصميمها. كما هو الحال في أنظمة تبديد الحرارة، التي تتطلب مواد ذات موصلية حرارية عالية لنقل الحرارة بسرعة.

خصائص التوصيل الحراري للجرافيت

الاختلافات في التوصيل الحراري في اتجاهات مختلفة

في الجرافيت، تكون الموصلية الحرارية داخل المستوى (داخل الطبقات المستوية من ذرات الكربون) أعلى بكثير من الموصلية الحرارية بين المستويات (بين الطبقات). في درجة حرارة الغرفة، يمكن أن تصل الموصلية الحرارية داخل السطح إلى 1500-2000 واط/(م-ك). بينما تبلغ الموصلية الحرارية بين السطح 5-10 وات/(م-ك) فقط. ويرجع ذلك إلى أن ذرات الكربون داخل الطبقة مرتبطة بروابط تساهمية قوية. ويمكن للفونونات (كمات الطاقة للاهتزازات الشبكية) أن تنتشر بكفاءة في هذه البنية المنظمة، وتحمل الحرارة بسرعة. ومع ذلك، واعتمادًا على قوة فان دير فال الضعيفة بين الطبقات، سيكون للفونونات تشتت قوي عبر الطبقات. وهذا يعيق انتقال الحرارة بشكل كبير ويجعل التوصيلية الحرارية بين الطبقات منخفضة للغاية. هذه الموصلية الحرارية متباينة الخواص تجعل من الضروري مراعاة اتجاهها بشكل كامل في تطبيق الجرافيت. من أجل تشغيل أفضل خصائص التوصيل الحراري.

مقارنة الموصلية الحرارية بالمواد الأخرى

من مقارنة الجدول، يمكن ملاحظة أن الموصلية الحرارية الداخلية للجرافيت أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمعادن الشائعة مثل الألومنيوم والنحاس. ويتم إجباره مباشرة بواسطة الماس مع الموصلية الحرارية العالية جدًا. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، فإنه يتمتع بمزايا كبيرة، حتى عند مقارنته بالفضة المعدنية عالية التوصيل الحراري، فإنه ليس أقل شأناً. في مواجهة متطلبات تبديد الحرارة القاسية، يمكن لخصائصه متباينة الخواص أن توصل الحرارة بكفاءة في اتجاه معين. مما يجعلها مادة تنافسية للغاية. في المقابل، بالنسبة للمواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة مثل السيراميكوالمطاط والبلاستيك، يتمتع الجرافيت بمزايا كاملة. وله إمكانات تطبيقية كبيرة في مجالات تبديد الحرارة والإدارة الحرارية.

العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري للجرافيت

عيب بلوري

تؤثر العيوب النقطية (الشواغر والذرات الخلالية) والعيوب الخطية (الخلع) في الجرافيت بشكل كبير على التوصيل الحراري. فالعيوب النقطية تدمر الترتيب الذري، وتزيد من تشتت الفونونات، وتعيق التوصيل الحراري، مثل الشواغر، وفقدان طاقة انتشار الفونونات. عندما تكون كثافة الخلع عالية، يزداد تشتت الفونونات وتقل الموصلية الحرارية بشكل كبير. يرتبط تركيز الخلل ارتباطًا سلبيًا بالتوصيل الحراري.

محتوى الشوائب

تؤثر الشوائب على التوصيل الحراري للجرافيت. تدمر الشوائب الفلزية الشائعة (الحديد والنيكل) وغير الفلزية (السيليكون والأكسجين) البنية البلورية وتتداخل مع انتشار الفونونات. نظرًا لاختلاف حجمها الذري وخصائصها الكيميائية عن ذرات الكربون. ويتسبب تفاعله مع ذرات الكربون في تشويه الشبكة، ويشكل مركز التشتت، ويقصر متوسط المسار الحر للفونون، ويقلل من التوصيل الحراري. ويتحكم في الشوائب لتحسين التوصيل الحراري.

تغير درجة الحرارة

تأثير درجة الحرارة على التوصيلية الحرارية معقد. عند درجة الحرارة المنخفضة، تزداد طاقة الفونون ومتوسط المسار الحر، وتزداد الموصلية الحرارية مع زيادة درجة الحرارة. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، يتعزز التفاعل بين الفونون والفونونات، ويزداد التشتت. ينخفض متوسط المسار الحر للفونونات وتنخفض الموصلية الحرارية. تنخفض الموصلية الحرارية الداخلية ببطء عند درجات الحرارة المرتفعة، وتكون الموصلية الحرارية البينية أكثر حساسية لتغير درجة الحرارة.

تطبيق الموصلية الحرارية للجرافيت

الرقائق الإلكترونية

مع التحسين المستمر لتكامل الرقائق، تزداد الحرارة التي تولدها الرقائق أثناء التشغيل بشكل حاد. وبسبب الموصلية الحرارية العالية داخل المستوى، يمكنك استخدام الجرافيت على نطاق واسع في حلول تبديد الحرارة للرقائق. من خلال إضافة مادة الجرافيت بين الرقاقة وجهاز تبديد الحرارة، يمكن نقل الحرارة المتولدة عن الرقاقة بسرعة. وهذا يقلل بشكل فعال من درجة حرارة الرقاقة ويحسن أداء الرقاقة واستقرارها. كما أنه يطيل عمر خدمة الرقاقة.

بالوعة حرارية من الجرافيت

المشتت الحراري للجرافيت هو تطبيق نموذجي يستخدم خصائص التوصيل الحراري للجرافيت. إنه رقيق وقابل للانحناء وموصل حراري عالي التوصيل. ويمكنك تخصيصه لأشكال الأجهزة الإلكترونية المختلفة ليتناسب مع سطح عنصر التسخين. على سبيل المثال، في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، يمكن للمشتتات الحرارية المصنوعة من الجرافيت أن تنشر الحرارة الناتجة عن مكونات التسخين بسرعة. مثل المعالجات إلى مبيت الجهاز بالكامل. تحقيق تبديد الحرارة بكفاءة وضمان عدم تعرض الجهاز لتدهور الأداء أو تعطله بسبب السخونة الزائدة أثناء الاستخدام طويل الأمد.

بطاريات الليثيوم أيون

في بطاريات الليثيوم أيون، تعتبر الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية. وكعنصر مهم في مادة القطب الكهربائي للبطارية، فإن الموصلية الحرارية للجرافيت لها تأثير مهم على أداء البطارية وسلامتها. إن قطب كهربائي من الجرافيت تساعد الموصلية الحرارية العالية على تبديد الحرارة بالتساوي أثناء شحن البطارية وتفريغها. تجنب السخونة الزائدة الموضعية التي تؤدي إلى توهين سعة البطارية وتقصير عمرها وحتى مشاكل السلامة. في الوقت نفسه، في تصميم حزمة البطارية، يمكن أن يؤدي استخدام مواد الإدارة الحرارية القائمة على الجرافيت إلى تحسين الاستقرار الحراري الكلي لحزمة البطارية بشكل فعال. ثم تحسين كفاءة الشحن والتفريغ ودورة حياة البطارية.

مبادل حراري من الجرافيت

نظرًا لتوصيلها الحراري الممتاز ومقاومتها الكيميائية العالية، تُستخدم مبادلات الجرافيت الحرارية بشكل رئيسي في التطبيقات الصناعية التي تتطلب تسخين أو تبريد السوائل شديدة التآكل. وغالبًا ما تُستخدم في المعالجة الكيميائية والمستحضرات الصيدلانية وإنتاج المواد الكيميائية مثل الكلور والفلورايد وثاني أكسيد التيتانيوم. على سبيل المثال، يتم التعامل مع المواد الكيميائية شديدة التآكل مثل الأحماض والقلويات والكلوريدات في عمليات مثل التحليل الكهربائي للكلور والقلوي وإنتاج البتروكيماويات وتصنيع حمض الكلور والخل.

مجال الطيران والفضاء

في مجال الطيران، تحتاج المعدات إلى العمل في البيئات القاسية، مما يتطلب خصائص حرارية عالية للغاية للمواد. يمكنك استخدام مواد الجرافيت في تصنيع أنظمة التحكم الحراري لمكونات الفضاء الجوي. بسبب قوتها النوعية العالية وكثافتها المنخفضة وتوصيلها الحراري الممتاز. على سبيل المثال، يمكنك استخدام مركبات الجرافيت في حجرة المعدات الإلكترونية للقمر الصناعي. لتوصيل وتبديد الحرارة الناتجة عن المعدات. ضمان أن المعدات يمكن أن تعمل بشكل طبيعي في بيئة الفضاء ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة في الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، يمكنك أيضًا استخدامه لتصنيع الحافة الأمامية لأجنحة الطائرات ومكونات المحرك, فوهة الجرافيت إلخ. يضمن التشغيل العادي للمكونات الرئيسية في بيئات درجات الحرارة العالية ويضمن سلامة الطيران.

الاستنتاجات

إن التركيب البلوري الفريد للجرافيت يجعل توصيله الحراري متباين الخواص مما له مزايا واضحة مقارنة بالمواد الأخرى. ويمكنك استخدامه على نطاق واسع في العديد من المجالات. ومن المتوقع أن يساعد تحسين الأداء من خلال التحكم في العوامل المؤثرة في المزيد من سيناريوهات الإدارة الحرارية مع تقدم الأبحاث.