Más información sobre la conductividad térmica del grafito

El grafito es un material carbonoso de gran importancia en la ciencia de los materiales, con propiedades únicas que desempeñan un papel clave en múltiples industrias. Sus características de conductividad térmica determinan la disipación del calor, la gestión térmica y otras aplicaciones. Además, constituye un sólido apoyo para el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas.

Estructura del grafito y base de la conductividad térmica

Estructura cristalina del grafito

El grafito tiene una estructura cristalina en capas típica, y cada capa está conectada por enlaces covalentes entre átomos de carbono para formar una estructura de red plana de hexágonos regulares. Este enlace covalente en el plano hace que la fuerza de unión entre los átomos de carbono sea muy fuerte. Además, los átomos están estrechamente dispuestos y son regulares. Las capas interactúan entre sí mediante fuerzas de Van der Waals más débiles. Esta fuerza débil hace que sea relativamente fácil deslizarse entre las capas. El fuerte enlace covalente de la capa proporciona un canal eficaz para la conducción del calor. Mientras que la fuerza de van der Waals entre las capas dificulta en cierta medida la conducción del calor. Por tanto, la conductividad térmica del grafito muestra una anisotropía evidente.

Concepto básico de conductividad térmica

La conductividad térmica, expresada en W/(m-K), se refiere al calor que pasa a través de una unidad de superficie vertical en una unidad de tiempo a una unidad de gradiente de temperatura. Su significado físico es cuantificar la capacidad de un material para conducir el calor. Cuanto mayor es la conductividad térmica, más fácil es para el material conducir el calor. En aplicaciones prácticas, la conductividad térmica es crucial para la selección y el diseño de materiales. Por ejemplo, en los sistemas de disipación de calor, que requieren materiales con alta conductividad térmica para transferir rápidamente el calor.

Características de la conductividad térmica del grafito

Diferencias de conductividad térmica en distintas direcciones

En el grafito, la conductividad térmica dentro del plano (dentro de las capas planas de átomos de carbono) es mucho mayor que la conductividad térmica entre los planos (entre capas). A temperatura ambiente, la conductividad térmica dentro de la superficie puede alcanzar los 1500-2000W /(m-K). Mientras que la conductividad térmica entre superficies es de sólo 5-10W /(m-K). Esto se debe a que los átomos de carbono dentro de la capa están conectados por fuertes enlaces covalentes. Y los fonones (los cuantos de energía de la vibración de la red) pueden propagarse eficazmente en esta estructura ordenada, transportando el calor rápidamente. Sin embargo, dependiendo de la débil fuerza de van der Waals entre las capas, los fonones tendrán una fuerte dispersión a través de las capas. Esto dificulta enormemente la transferencia de calor y hace que la conductividad térmica entre superficies sea extremadamente baja. Esta conductividad térmica anisótropa hace necesario tener muy en cuenta su dirección en la aplicación del grafeno. Para conseguir las mejores propiedades de conducción del calor.

Comparación de la conductividad térmica con otros materiales

De la tabla comparativa se desprende que la conductividad térmica interna del grafito es muy superior a la de metales comunes como el aluminio y el cobre. Y está directamente forzado por el diamante con una conductividad térmica muy alta. En comparación con el acero inoxidable, tiene ventajas significativas, incluso cuando se compara con la plata de metal de alta conductividad, no es inferior. Frente a los duros requisitos de disipación de calor, sus características anisotrópicas pueden conducir eficazmente el calor en una dirección específica. Esto lo convierte en un material altamente competitivo. En cambio, para materiales con baja conductividad térmica como cerámica, caucho y plásticos, el grafito tiene todas las ventajas. Y tiene un gran potencial de aplicación en los campos de la disipación de calor y la gestión térmica.

Factores que afectan a la conductividad térmica del grafito

Defecto de cristal

Los defectos puntuales (vacantes, átomos intersticiales) y lineales (dislocaciones) en el grafito afectan significativamente a la conductividad térmica. Los defectos puntuales destruyen la disposición atómica, aumentan la dispersión de fonones, dificultan la conducción térmica, como las vacantes, la pérdida de energía de propagación de fonones. Cuando la densidad de dislocaciones es alta, la dispersión de fonones se intensifica y la conductividad térmica disminuye significativamente. La concentración de defectos está negativamente correlacionada con la conductividad térmica.

Contenido de impurezas

Las impurezas afectan a la conductividad térmica del grafito. Las impurezas comunes metálicas (hierro, níquel) y no metálicas (silicio, oxígeno) destruyen la estructura cristalina e interfieren en la propagación de los fonones. Debido a su tamaño atómico y a sus propiedades químicas son diferentes de átomos de carbono. Su interacción con los átomos de carbono provoca la distorsión de la red, forma un centro de dispersión, acorta el camino libre medio de los fonones y reduce la conductividad térmica. Y controla las impurezas para optimizar la conductividad térmica.

Cambio de temperatura

La influencia de la temperatura en la conductividad térmica es compleja. A baja temperatura, la energía de los fonones y el camino libre medio aumentan y la conductividad térmica aumenta con el incremento de la temperatura. Cuando la temperatura es demasiado alta, aumenta la interacción fonón-fonón y se intensifica la dispersión. El camino libre medio de los fonones se reduce y la conductividad térmica disminuye. La conductividad térmica interna disminuye lentamente a alta temperatura, y la conductividad térmica interfacial es más sensible al cambio de temperatura.

Aplicación de la conductividad térmica del grafito

Chips electrónicos

Con la mejora continua de la integración de chips, el calor generado por éstos durante su funcionamiento aumenta considerablemente. Gracias a su elevada conductividad térmica en el plano, el grafito puede utilizarse ampliamente en soluciones de disipación de calor para chips. Al añadir material de grafito entre el chip y el dispositivo de disipación de calor, el calor generado por el chip puede transmitirse rápidamente al exterior. Esto reduce eficazmente la temperatura del chip y mejora su rendimiento y estabilidad. Además, prolonga la vida útil del chip.

Disipador de grafito

El disipador de calor de grafito es una aplicación típica que utiliza las características de conductividad térmica del grafito. Es fino, plegable y altamente conductor térmico. Y se puede adaptar a diferentes formas de dispositivos electrónicos para que encaje en la superficie del elemento calefactor. Por ejemplo, en dispositivos móviles como smartphones y tabletas, los disipadores de grafito pueden propagar rápidamente el calor generado por los componentes calefactores. como los procesadores, a toda la carcasa del dispositivo. De este modo se consigue una disipación eficiente del calor y se garantiza que el dispositivo no sufrirá una degradación de su rendimiento o un fallo debido al sobrecalentamiento durante su uso a largo plazo.

Baterías de iones de litio

En las baterías de iones de litio, la gestión térmica es fundamental. Como componente importante del material del electrodo de la batería, la conductividad térmica del grafito tiene un efecto importante en el rendimiento y la seguridad de la batería. El sitio electrodo de grafito con alta conductividad térmica ayuda a disipar uniformemente el calor durante la carga y descarga de la batería. De este modo se evita el sobrecalentamiento local que provoca la atenuación de la capacidad de la batería, la reducción de su vida útil e incluso problemas de seguridad. Al mismo tiempo, en el diseño de la batería, el uso de materiales de gestión térmica a base de grafito puede mejorar eficazmente la estabilidad térmica general de la batería. A continuación, mejoran la eficacia de carga y descarga y la vida útil de la batería.

Intercambiador de grafito

Debido a su excelente conductividad térmica y su alta resistencia química, los intercambiadores de calor de grafito se utilizan principalmente en aplicaciones industriales que requieren el calentamiento o enfriamiento de fluidos altamente corrosivos. Suelen utilizarse en el procesamiento químico, la industria farmacéutica y la producción de productos químicos como el cloro, los fluoruros y el dióxido de titanio. Por ejemplo, los productos químicos altamente corrosivos como ácidos, álcalis y cloruros se manipulan en procesos como la electrólisis cloroalcalina, la producción petroquímica y la fabricación de ácido cloroacético.

Sector aeroespacial

En el campo aeroespacial, los equipos tienen que funcionar en entornos extremos, lo que exige propiedades térmicas extremadamente altas de los materiales. Se pueden utilizar materiales de grafito en la fabricación de sistemas de control térmico para componentes aeroespaciales. Debido a su alta resistencia específica, baja densidad y excelente conductividad térmica. Por ejemplo, puede utilizar compuestos de grafito en el compartimento de los equipos electrónicos del satélite. Para conducir y disipar el calor generado por los equipos. Garantizar que los equipos puedan funcionar con normalidad en el entorno de altas y bajas temperaturas del espacio. Además, también se puede utilizar para fabricar el borde de ataque de las alas de los aviones, componentes de motores, boquilla de grafito etc. Garantiza el funcionamiento normal de los componentes clave en entornos de alta temperatura y garantiza la seguridad de los vuelos.

Conclusiones

La singular estructura cristalina del grafito hace que su conductividad térmica sea anisótropa, lo que tiene ventajas evidentes sobre otros materiales. Y se puede utilizar ampliamente en muchos campos. Se espera que la optimización del rendimiento mediante el control de los factores influyentes ayude a más escenarios de gestión térmica a medida que avance la investigación.