Erfahren Sie mehr über die Wärmeleitfähigkeit von Graphit

Graphit ist ein in der Materialwissenschaft hoch angesehenes kohlenstoffhaltiges Material mit einzigartigen Eigenschaften, die in zahlreichen Branchen eine wichtige Rolle spielen. Seine Wärmeleitfähigkeit bestimmt die Wärmeableitung, das Wärmemanagement und andere Anwendungen. Darüber hinaus bietet er eine solide Grundlage für die Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie.

Graphitstruktur und Wärmeleitfähigkeit als Grundlage

Kristallstruktur von Graphit

Graphit weist eine typische Schichtkristallstruktur auf, und jede Schicht ist durch kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen verbunden, so dass eine planare Netzwerkstruktur aus regelmäßigen Sechsecken entsteht. Diese in der Ebene liegenden kovalenten Bindungen machen die Bindungskraft zwischen den Kohlenstoffatomen sehr stark. Außerdem sind die Atome eng und regelmäßig angeordnet. Die Schichten interagieren miteinander durch schwächere van-der-Waals-Kräfte. Diese schwache Kraft macht es relativ einfach, zwischen den Schichten zu gleiten. Die starke kovalente Bindung in der Schicht bietet einen effizienten Kanal für die Wärmeleitung. Die van-der-Waals-Kraft zwischen den Schichten behindert die Wärmeleitung bis zu einem gewissen Grad. Daher weist die Wärmeleitfähigkeit von Graphit eine deutliche Anisotropie auf.

Grundkonzept der Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit, ausgedrückt in W/(m-K), bezieht sich auf den Wärmedurchgang durch eine vertikale Flächeneinheit in einer Zeiteinheit bei einem einheitlichen Temperaturgradienten. Ihre physikalische Bedeutung besteht darin, die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten, zu quantifizieren. Je höher die Wärmeleitfähigkeit ist, desto leichter kann das Material Wärme leiten. In praktischen Anwendungen ist die Wärmeleitfähigkeit entscheidend für die Auswahl und Gestaltung von Materialien. So zum Beispiel in Wärmeableitungssystemen, die Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit benötigen, um Wärme schnell zu übertragen.

Merkmale der Wärmeleitfähigkeit von Graphit

Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit in verschiedenen Richtungen

In Graphit ist die Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Ebene (innerhalb der ebenen Schichten aus Kohlenstoffatomen) viel höher als die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Ebenen (zwischen den Schichten). Bei Raumtemperatur kann die Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche 1500-2000 W /(m-K) erreichen. Die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Oberflächen beträgt dagegen nur 5-10 W/(m-K). Dies liegt daran, dass die Kohlenstoffatome innerhalb der Schicht durch starke kovalente Bindungen verbunden sind. Und Phononen (die Energiequanten der Gitterschwingung) können sich in dieser geordneten Struktur effizient ausbreiten und Wärme schnell transportieren. Aufgrund der schwachen van-der-Waals-Kraft zwischen den Schichten werden Phononen jedoch stark zwischen den Schichten gestreut. Dadurch wird die Wärmeübertragung stark behindert, und die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Oberflächen ist extrem niedrig. Diese anisotrope Wärmeleitfähigkeit macht es notwendig, ihre Richtung bei der Anwendung von Graphit vollständig zu berücksichtigen. Um die besten Wärmeleiteigenschaften zu erzielen.

Vergleich der Wärmeleitfähigkeit mit anderen Materialien

Aus dem Tabellenvergleich geht hervor, dass die innere Wärmeleitfähigkeit von Graphit weit höher ist als die von herkömmlichen Metallen wie Aluminium und Kupfer. Und es wird direkt durch Diamant mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit erzwungen. Im Vergleich zu rostfreiem Stahl hat es erhebliche Vorteile, und selbst im Vergleich mit dem hochleitfähigen Metall Silber steht es ihm in nichts nach. Angesichts der hohen Anforderungen an die Wärmeableitung können seine anisotropen Eigenschaften die Wärme effizient in eine bestimmte Richtung leiten. Das macht es zu einem äußerst wettbewerbsfähigen Material. Im Gegensatz dazu sind Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie keramikGummi und Kunststoffen, hat Graphit alle Vorteile. Und er hat ein großes Anwendungspotenzial in den Bereichen Wärmeableitung und Wärmemanagement.

Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Graphit beeinflussen

Kristalldefekt

Punktdefekte (Leerstellen, Zwischengitteratome) und Liniendefekte (Versetzungen) in Graphit beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit erheblich. Punktdefekte zerstören die Anordnung der Atome, verstärken die Phononenstreuung und behindern die Wärmeleitung, wie z. B. Leerstellen und Energieverluste bei der Phononenausbreitung. Wenn die Versetzungsdichte hoch ist, verstärkt sich die Phononenstreuung und die Wärmeleitfähigkeit sinkt erheblich. Die Defektkonzentration ist negativ mit der Wärmeleitfähigkeit korreliert.

Gehalt an Verunreinigungen

Verunreinigungen beeinträchtigen die Wärmeleitfähigkeit von Graphit. Übliche metallische (Eisen, Nickel) und nichtmetallische (Silizium, Sauerstoff) Verunreinigungen zerstören die Kristallstruktur und stören die Phononenausbreitung. Aufgrund ihrer atomaren Größe und ihrer chemischen Eigenschaften unterscheiden sie sich von Kohlenstoffatome. Die Wechselwirkung mit den Kohlenstoffatomen führt zu Gitterverzerrungen, bildet Streuzentren, verkürzt die mittlere freie Weglänge der Phononen und verringert die Wärmeleitfähigkeit. Und es kontrolliert Verunreinigungen, um die Wärmeleitfähigkeit zu optimieren.

Änderung der Temperatur

Der Einfluss der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit ist komplex. Bei niedriger Temperatur nehmen die Phononenenergie und die mittlere freie Weglänge zu, und die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Ist die Temperatur zu hoch, wird die Phonon-Phonon-Wechselwirkung verstärkt und die Streuung intensiviert. Die mittlere freie Weglänge der Phononen wird verringert, und die Wärmeleitfähigkeit nimmt ab. Die innere Wärmeleitfähigkeit nimmt bei hohen Temperaturen langsam ab, und die Wärmeleitfähigkeit an der Grenzfläche reagiert empfindlicher auf Temperaturänderungen.

Anwendung der Wärmeleitfähigkeit von Graphit

Elektronische Chips

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Chip-Integration nimmt die von den Chips während des Betriebs erzeugte Wärme stark zu. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit in der Ebene kann Graphit in großem Umfang für Wärmeableitungslösungen für Chips verwendet werden. Durch Hinzufügen von Graphitmaterial zwischen dem Chip und dem Wärmeableitungsgerät kann die vom Chip erzeugte Wärme schnell abgeleitet werden. Dadurch wird die Chiptemperatur effektiv gesenkt und die Leistung und Stabilität des Chips verbessert. Außerdem wird dadurch die Lebensdauer des Chips verlängert.

Graphit-Kühlkörper

Graphitkühlkörper sind eine typische Anwendung, bei der die Wärmeleiteigenschaften von Graphit genutzt werden. Er ist dünn, biegsam und hoch wärmeleitend. Außerdem kann er an die verschiedenen Formen von elektronischen Geräten angepasst werden, damit er auf die Oberfläche des Heizelements passt. In mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets beispielsweise können Graphitkühlkörper die von den Heizkomponenten erzeugte Wärme schnell verteilen. Wie z. B. Prozessoren auf das gesamte Gerätegehäuse. So wird eine effiziente Wärmeableitung erreicht und sichergestellt, dass das Gerät bei langfristiger Nutzung keine Leistungseinbußen oder Ausfälle aufgrund von Überhitzung erleidet.

Lithium-Ionen-Batterien

Bei Lithium-Ionen-Batterien ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung. Als wichtiger Bestandteil des Batterieelektrodenmaterials hat die Wärmeleitfähigkeit von Graphit einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und Sicherheit der Batterie. Die Graphitelektrode mit hoher Wärmeleitfähigkeit hilft, die Wärme beim Laden und Entladen der Batterie gleichmäßig abzuleiten. Dadurch wird eine lokale Überhitzung vermieden, die zu einer Verringerung der Batteriekapazität, einer verkürzten Lebensdauer und sogar zu Sicherheitsproblemen führt. Gleichzeitig kann die Verwendung von Wärmemanagementmaterialien auf Graphitbasis bei der Konstruktion des Akkupacks die allgemeine thermische Stabilität des Akkupacks wirksam verbessern. Dadurch werden die Lade- und Entladeeffizienz und die Lebensdauer des Akkus verbessert.

Graphit-Wärmetauscher

Aufgrund ihrer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und hohen chemischen Beständigkeit werden Graphitwärmetauscher vor allem in industriellen Anwendungen eingesetzt, bei denen hochkorrosive Flüssigkeiten erwärmt oder gekühlt werden müssen. Sie werden häufig in der chemischen Verarbeitung, in der Pharmazie und bei der Herstellung von Chemikalien wie Chlor, Fluoriden und Titandioxid eingesetzt. Hochkorrosive Chemikalien wie Säuren, Laugen und Chloride werden beispielsweise in Prozessen wie der Chlor-Alkali-Elektrolyse, der petrochemischen Produktion und der Herstellung von Chloressigsäure verarbeitet.

Bereich Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt müssen die Geräte unter extremen Bedingungen arbeiten, was extrem hohe thermische Eigenschaften der Materialien erfordert. Bei der Herstellung von Wärmekontrollsystemen für Luft- und Raumfahrtkomponenten können Graphitwerkstoffe verwendet werden. Grund dafür sind die hohe spezifische Festigkeit, die geringe Dichte und die hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise können Graphitverbundwerkstoffe in der elektronischen Ausrüstung von Satelliten verwendet werden. Sie leiten die von den Geräten erzeugte Wärme ab und führen sie ab. So wird sichergestellt, dass die Geräte in der Hoch- und Tieftemperaturumgebung des Weltraums normal arbeiten können. Darüber hinaus kann man es auch zur Herstellung der Vorderkante von Flugzeugflügeln und Motorkomponenten verwenden, Graphitdüse usw.. Es gewährleistet den normalen Betrieb von Schlüsselkomponenten in Hochtemperaturumgebungen und sorgt für Flugsicherheit.

Schlussfolgerungen

Die einzigartige Kristallstruktur von Graphit macht seine Wärmeleitfähigkeit anisotrop, was offensichtliche Vorteile gegenüber anderen Materialien hat. Außerdem kann es in vielen Bereichen eingesetzt werden. Es wird erwartet, dass die Optimierung der Leistung durch die Kontrolle der Einflussfaktoren mit fortschreitender Forschung zu mehr Wärmemanagementszenarien beitragen wird.