Μάθετε για τη θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη

Ο γραφίτης είναι ένα ανθρακούχο υλικό υψηλού προφίλ στην επιστήμη των υλικών, με μοναδικές ιδιότητες που παίζουν καθοριστικό ρόλο σε πολλές βιομηχανίες. Τα χαρακτηριστικά θερμικής αγωγιμότητάς του καθορίζουν την απαγωγή θερμότητας, τη θερμική διαχείριση και άλλες εφαρμογές. Και παρέχει μια σταθερή υποστήριξη για την ανάπτυξη της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας.

Δομή γραφίτη και βάση θερμικής αγωγιμότητας

Κρυσταλλική δομή γραφίτη

Ο γραφίτης έχει μια τυπική στρωματοποιημένη κρυσταλλική δομή και κάθε στρώμα συνδέεται με ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ ατόμων άνθρακα για να σχηματίσει μια επίπεδη δομή δικτύου από κανονικά εξάγωνα. Αυτός ο ομοιοπολικός δεσμός εντός του επιπέδου καθιστά τη δύναμη σύνδεσης μεταξύ των ατόμων άνθρακα πολύ ισχυρή. Και τα άτομα είναι σφιχτά διατεταγμένα και κανονικά. Τα στρώματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω ασθενέστερων δυνάμεων van der Waals. Αυτή η ασθενής δύναμη καθιστά σχετικά εύκολη την ολίσθηση μεταξύ των στρωμάτων. Ο ισχυρός ομοιοπολικός δεσμός στο στρώμα παρέχει ένα αποτελεσματικό κανάλι για την αγωγή θερμότητας. Ενώ η δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων εμποδίζει σε κάποιο βαθμό την αγωγή θερμότητας. Έτσι, η θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη παρουσιάζει εμφανή ανισοτροπία.

Βασική έννοια της θερμικής αγωγιμότητας

Η θερμική αγωγιμότητα, εκφρασμένη σε W/(m-K), αναφέρεται στη θερμότητα που διέρχεται από μια μονάδα κατακόρυφης επιφάνειας σε μια μονάδα χρόνου σε μια μονάδα κλίσης θερμοκρασίας. Η φυσική της σημασία είναι να ποσοτικοποιεί την ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει θερμότητα. Και όσο υψηλότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο ευκολότερη είναι η αγωγή της θερμότητας από το υλικό. Στις πρακτικές εφαρμογές, η θερμική αγωγιμότητα είναι ζωτικής σημασίας για την επιλογή και το σχεδιασμό των υλικών. Όπως στα συστήματα απαγωγής θερμότητας, τα οποία απαιτούν υλικά με υψηλή θερμική αγωγιμότητα για τη γρήγορη μεταφορά θερμότητας.

Χαρακτηριστικά της θερμικής αγωγιμότητας του γραφίτη

Διαφορές στη θερμική αγωγιμότητα σε διαφορετικές κατευθύνσεις

Στον γραφίτη, η θερμική αγωγιμότητα εντός του επιπέδου (εντός των επίπεδων στρωμάτων των ατόμων άνθρακα) είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμική αγωγιμότητα μεταξύ των επιπέδων (μεταξύ των στρωμάτων). Σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμική αγωγιμότητα εντός της επιφάνειας μπορεί να φθάσει τα 1500-2000W /(m-K). Ενώ η θερμική αγωγιμότητα μεταξύ των επιφανειών είναι μόνο 5-10W /(m-K). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα άτομα άνθρακα εντός του στρώματος συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Και τα φωνόνια (τα ενεργειακά κβάντα των δονήσεων του πλέγματος) μπορούν να διαδοθούν αποτελεσματικά σε αυτή τη διατεταγμένη δομή, μεταφέροντας γρήγορα θερμότητα. Ωστόσο, ανάλογα με την ασθενή δύναμη van der Waals μεταξύ των στρωμάτων, τα φωνόνια θα έχουν ισχυρή διασπορά σε όλα τα στρώματα. Αυτό δυσχεραίνει σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας και καθιστά τη θερμική αγωγιμότητα μεταξύ των επιφανειών εξαιρετικά χαμηλή. Αυτή η ανισοτροπική θερμική αγωγιμότητα καθιστά αναγκαία την πλήρη εξέταση της κατεύθυνσής της στην εφαρμογή του γραφίτη. Προκειμένου να παίξει τις καλύτερες ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας.

Σύγκριση της θερμικής αγωγιμότητας με άλλα υλικά

Από τη σύγκριση του πίνακα φαίνεται ότι η εσωτερική θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη των κοινών μετάλλων, όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός. Και αναγκάζεται άμεσα από το διαμάντι με πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα, έχει σημαντικά πλεονεκτήματα, ακόμη και όταν συγκρίνεται με το μεταλλικό ασήμι υψηλής αγωγιμότητας, δεν είναι κατώτερο. Εν όψει σκληρών απαιτήσεων απαγωγής θερμότητας, τα ανισοτροπικά χαρακτηριστικά του μπορούν να οδηγήσουν αποτελεσματικά τη θερμότητα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Κάνοντάς το ένα ιδιαίτερα ανταγωνιστικό υλικό. Αντίθετα, για υλικά με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, όπως το κεραμικά, καουτσούκ και πλαστικά, ο γραφίτης έχει πλήρη πλεονεκτήματα. Και έχει μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής στους τομείς της απαγωγής θερμότητας και της θερμικής διαχείρισης.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη

Ελάττωμα κρυστάλλου

Οι σημειακές ατέλειες (κενά, διάμεσες θέσεις) και οι ατέλειες γραμμής (εξαρθρώσεις) στο γραφίτη επηρεάζουν σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα. Οι σημειακές ατέλειες καταστρέφουν την ατομική διάταξη, αυξάνουν τη σκέδαση φωνονίων, εμποδίζουν τη θερμική αγωγιμότητα, όπως η κενή θέση, η απώλεια ενέργειας διάδοσης φωνονίων. Όταν η πυκνότητα των εξαρθρώσεων είναι υψηλή, η σκέδαση φωνονίων εντείνεται και η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται σημαντικά. Η συγκέντρωση ατελειών συσχετίζεται αρνητικά με τη θερμική αγωγιμότητα.

Περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες

Οι προσμίξεις επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη. Οι συνήθεις μεταλλικές (σίδηρος, νικέλιο) και μη μεταλλικές (πυρίτιο, οξυγόνο) προσμίξεις καταστρέφουν την κρυσταλλική δομή και παρεμβαίνουν στη διάδοση των φωνονίων. Λόγω του ατομικού τους μεγέθους και των χημικών τους ιδιοτήτων είναι διαφορετικές από τις άτομα άνθρακα. Η αλληλεπίδρασή του με τα άτομα άνθρακα προκαλεί παραμόρφωση του πλέγματος, σχηματίζει κέντρο σκέδασης, συντομεύει τη μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνονίων, μειώνει τη θερμική αγωγιμότητα. Και ελέγχει τις προσμίξεις για τη βελτιστοποίηση της θερμικής αγωγιμότητας.

Αλλαγή θερμοκρασίας

Η επίδραση της θερμοκρασίας στη θερμική αγωγιμότητα είναι πολύπλοκη. Σε χαμηλή θερμοκρασία, η ενέργεια φωνονίων και η μέση ελεύθερη διαδρομή αυξάνονται και η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, ενισχύεται η αλληλεπίδραση φωνονίων-φωνονίων, εντείνεται η σκέδαση. Η μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνονίων μειώνεται και η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται. Η εσωτερική θερμική αγωγιμότητα μειώνεται αργά σε υψηλή θερμοκρασία και η διεπιφανειακή θερμική αγωγιμότητα είναι πιο ευαίσθητη στη μεταβολή της θερμοκρασίας.

Εφαρμογή της θερμικής αγωγιμότητας γραφίτη

Ηλεκτρονικά τσιπ

Με τη συνεχή βελτίωση της ολοκλήρωσης των τσιπ, η θερμότητα που παράγεται από τα τσιπ κατά τη λειτουργία αυξάνεται απότομα. Λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του στο επίπεδο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ευρέως τον γραφίτη σε λύσεις απαγωγής θερμότητας για τσιπ. Με την προσθήκη υλικού γραφίτη μεταξύ του τσιπ και της συσκευής απαγωγής θερμότητας, η θερμότητα που παράγεται από το τσιπ μπορεί να μεταδοθεί γρήγορα προς τα έξω. Αυτό μειώνει αποτελεσματικά τη θερμοκρασία του τσιπ, βελτιώνει την απόδοση και τη σταθερότητα του τσιπ. Και παρατείνει επίσης τη διάρκεια ζωής του τσιπ.

Απορροφητήρας θερμότητας γραφίτη

Η ψύκτρα γραφίτη είναι μια τυπική εφαρμογή που χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά θερμικής αγωγιμότητας του γραφίτη. Είναι λεπτός, εύκαμπτος και εξαιρετικά θερμικά αγώγιμος. Και μπορείτε να το προσαρμόσετε για διαφορετικά σχήματα ηλεκτρονικών συσκευών ώστε να ταιριάζει στην επιφάνεια του θερμαντικού στοιχείου. Για παράδειγμα, σε κινητές συσκευές όπως τα smartphones και τα tablet, οι ψύκτρες γραφίτη μπορούν να διαδώσουν γρήγορα τη θερμότητα που παράγεται από τα θερμαντικά στοιχεία. Όπως οι επεξεργαστές σε ολόκληρο το περίβλημα της συσκευής. Επιτυγχάνοντας αποτελεσματική απαγωγή της θερμότητας και εξασφαλίζοντας ότι η συσκευή δεν θα υποστεί υποβάθμιση της απόδοσης ή βλάβη λόγω υπερθέρμανσης κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας χρήσης.

Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η θερμική διαχείριση είναι ζωτικής σημασίας. Ως σημαντικό συστατικό του υλικού ηλεκτροδίου της μπαταρίας, η θερμική αγωγιμότητα του γραφίτη έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση και την ασφάλεια της μπαταρίας. Το ηλεκτρόδιο γραφίτη με υψηλή θερμική αγωγιμότητα βοηθά στην ομοιόμορφη διάχυση της θερμότητας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση της μπαταρίας. Αποφεύγεται η τοπική υπερθέρμανση που οδηγεί σε εξασθένηση της χωρητικότητας της μπαταρίας, μείωση της διάρκειας ζωής και ακόμη και σε προβλήματα ασφαλείας. Ταυτόχρονα, κατά το σχεδιασμό της συστοιχίας μπαταριών, η χρήση υλικών θερμικής διαχείρισης με βάση το γραφίτη μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τη συνολική θερμική σταθερότητα της συστοιχίας μπαταριών. Στη συνέχεια, να βελτιώσει την απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης και τη διάρκεια ζωής του κύκλου ζωής της μπαταρίας.

Εναλλάκτης θερμότητας γραφίτη

Λόγω της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής χημικής αντοχής τους, οι εναλλάκτες θερμότητας γραφίτη χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν θέρμανση ή ψύξη ιδιαίτερα διαβρωτικών ρευστών. Χρησιμοποιούνται συχνά στη χημική επεξεργασία, στη φαρμακευτική βιομηχανία και στην παραγωγή χημικών προϊόντων όπως το χλώριο, τα φθορίδια και το διοξείδιο του τιτανίου. Για παράδειγμα, ιδιαίτερα διαβρωτικά χημικά όπως οξέα, αλκάλια και χλωρίδια διακινούνται σε διεργασίες όπως η ηλεκτρόλυση χλωροαλκαλίων, η πετροχημική παραγωγή και η παραγωγή χλωροοξικού οξέος.

Αεροδιαστημικός τομέας

Στον τομέα της αεροδιαστημικής, ο εξοπλισμός πρέπει να λειτουργεί σε ακραία περιβάλλοντα, γεγονός που απαιτεί εξαιρετικά υψηλές θερμικές ιδιότητες των υλικών. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε υλικά γραφίτη στην κατασκευή συστημάτων θερμικού ελέγχου για αεροδιαστημικά εξαρτήματα. Λόγω της υψηλής ειδικής αντοχής, της χαμηλής πυκνότητας και της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας. Για παράδειγμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σύνθετα υλικά γραφίτη στο διαμέρισμα του ηλεκτρονικού εξοπλισμού του δορυφόρου. Για την αγωγή και την απαγωγή της θερμότητας που παράγεται από τον εξοπλισμό. Εξασφαλίζοντας ότι ο εξοπλισμός μπορεί να λειτουργεί κανονικά στο περιβάλλον υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών του διαστήματος. Επιπλέον, μπορείτε επίσης να το χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή της μπροστινής ακμής των φτερών των αεροσκαφών, των εξαρτημάτων του κινητήρα, ακροφύσιο γραφίτη κ.λπ. Εξασφαλίζει την κανονική λειτουργία των βασικών εξαρτημάτων σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και εξασφαλίζει την ασφάλεια των πτήσεων.

Συμπεράσματα

Η μοναδική κρυσταλλική δομή του γραφίτη καθιστά τη θερμική του αγωγιμότητα ανισοτροπική, γεγονός που έχει προφανή πλεονεκτήματα έναντι άλλων υλικών. Και μπορείτε να τον χρησιμοποιήσετε ευρέως σε πολλούς τομείς. Η βελτιστοποίηση της απόδοσης με τον έλεγχο των παραγόντων που την επηρεάζουν αναμένεται να βοηθήσει σε περισσότερα σενάρια θερμικής διαχείρισης καθώς η έρευνα προχωρά.