En savoir plus sur la conductivité thermique du graphite

Le graphite est un matériau carboné très en vue dans la science des matériaux, avec des propriétés uniques qui jouent un rôle clé dans de nombreuses industries. Ses caractéristiques de conductivité thermique déterminent la dissipation de la chaleur, la gestion thermique et d'autres applications. Il constitue en outre un support solide pour le développement de la science et de la technologie modernes.

Structure du graphite et base de la conductivité thermique

Structure cristalline du graphite

Le graphite a une structure cristalline en couches typique, et chaque couche est reliée par des liaisons covalentes entre les atomes de carbone pour former une structure de réseau planaire d'hexagones réguliers. Cette liaison covalente dans le plan rend la force de liaison entre les atomes de carbone très forte. Les atomes sont étroitement disposés et réguliers. Les couches interagissent entre elles par le biais de forces de van der Waals plus faibles. Cette faible force permet de glisser relativement facilement d'une couche à l'autre. La forte liaison covalente dans la couche fournit un canal efficace pour la conduction de la chaleur. La force de van der Waals entre les couches entrave la conduction de la chaleur dans une certaine mesure. La conductivité thermique du graphite présente donc une anisotropie évidente.

Concept de base de la conductivité thermique

La conductivité thermique, exprimée en W/(m-K), correspond à la chaleur qui traverse une unité de surface verticale en une unité de temps à un gradient de température donné. Sa signification physique est de quantifier la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Plus la conductivité thermique est élevée, plus il est facile pour le matériau de conduire la chaleur. Dans les applications pratiques, la conductivité thermique est cruciale pour la sélection et la conception des matériaux. C'est le cas des systèmes de dissipation de la chaleur, qui nécessitent des matériaux à forte conductivité thermique pour transférer rapidement la chaleur.

Caractéristiques de la conductivité thermique du graphite

Différences de conductivité thermique dans différentes directions

Dans le graphite, la conductivité thermique à l'intérieur du plan (à l'intérieur des couches planes d'atomes de carbone) est beaucoup plus élevée que la conductivité thermique entre les plans (entre les couches). À température ambiante, la conductivité thermique à l'intérieur de la surface peut atteindre 1500-2000W /(m-K). La conductivité thermique entre les surfaces n'est que de 5 à 10 W /(m-K). Cela s'explique par le fait que les atomes de carbone à l'intérieur de la couche sont reliés par de fortes liaisons covalentes. Les phonons (quanta d'énergie des vibrations du réseau) peuvent se propager efficacement dans cette structure ordonnée et transporter rapidement la chaleur. Cependant, en fonction de la faible force de van der Waals entre les couches, les phonons seront fortement diffusés à travers les couches. Cela entrave considérablement le transfert de chaleur et rend la conductivité thermique entre les surfaces extrêmement faible. Cette conductivité thermique anisotrope rend nécessaire la prise en compte de sa direction dans l'application du graphite. Afin d'obtenir les meilleures propriétés de conduction thermique.

Comparaison de la conductivité thermique avec d'autres matériaux

La comparaison des tableaux montre que la conductivité thermique interne du graphite est beaucoup plus élevée que celle des métaux courants tels que l'aluminium et le cuivre. De plus, le graphite est directement forcé par le diamant dont la conductivité thermique est très élevée. Par rapport à l'acier inoxydable, il présente des avantages significatifs, et même par rapport à l'argent, un métal à haute conductivité, il n'est pas inférieur. Face aux exigences élevées en matière de dissipation de la chaleur, ses caractéristiques anisotropes permettent de conduire efficacement la chaleur dans une direction spécifique. Il s'agit donc d'un matériau très compétitif. En revanche, pour les matériaux à faible conductivité thermique tels que le céramiqueLe graphite présente de nombreux avantages pour les applications dans le domaine de la dissipation de la chaleur et de la gestion thermique. Il a un grand potentiel d'application dans les domaines de la dissipation de la chaleur et de la gestion thermique.

Facteurs affectant la conductivité thermique du graphite

Défaut de cristallisation

Dans le graphite, les défauts ponctuels (vacances, atomes interstitiels) et les défauts linéaires (dislocations) affectent de manière significative la conductivité thermique. Les défauts ponctuels détruisent l'arrangement atomique, augmentent la diffusion des phonons, entravent la conduction de la chaleur, comme la perte d'énergie de la propagation des phonons. Lorsque la densité des dislocations est élevée, la diffusion des phonons s'intensifie et la conductivité thermique diminue considérablement. La concentration de défauts est en corrélation négative avec la conductivité thermique.

Teneur en impuretés

Les impuretés affectent la conductivité thermique du graphite. Les impuretés métalliques (fer, nickel) et non métalliques (silicium, oxygène) courantes détruisent la structure cristalline et interfèrent avec la propagation des phonons. En raison de leur taille atomique et de leurs propriétés chimiques, les impuretés sont différentes de celles du atomes de carbone. Son interaction avec les atomes de carbone provoque une distorsion du réseau, forme un centre de diffusion, raccourcit le libre parcours moyen des phonons et réduit la conductivité thermique. Il contrôle les impuretés afin d'optimiser la conductivité thermique.

Changement de température

L'influence de la température sur la conductivité thermique est complexe. À basse température, l'énergie des phonons et le libre parcours moyen augmentent et la conductivité thermique augmente avec la température. Lorsque la température est trop élevée, l'interaction phonon-phonon est renforcée, la diffusion est intensifiée. Le libre parcours moyen des phonons est réduit et la conductivité thermique diminue. La conductivité thermique interne diminue lentement à haute température, et la conductivité thermique interfaciale est plus sensible au changement de température.

Application de la conductivité thermique du graphite

Puces électroniques

Avec l'amélioration continue de l'intégration des puces, la chaleur générée par les puces pendant leur fonctionnement augmente fortement. En raison de sa conductivité thermique élevée dans le plan, le graphite peut être largement utilisé dans les solutions de dissipation thermique pour les puces. En ajoutant du graphite entre la puce et le dispositif de dissipation thermique, la chaleur générée par la puce peut être rapidement évacuée. Cela permet de réduire efficacement la température de la puce, d'améliorer ses performances et sa stabilité. La durée de vie de la puce s'en trouve également prolongée.

Dissipateur thermique en graphite

Le dissipateur thermique en graphite est une application typique qui utilise les caractéristiques de conductivité thermique du graphite. Il est fin, pliable et hautement thermoconducteur. Il est possible de l'adapter à différentes formes d'appareils électroniques pour qu'il s'adapte à la surface de l'élément chauffant. Par exemple, dans les appareils mobiles tels que les smartphones et les tablettes, les dissipateurs de chaleur en graphite peuvent rapidement diffuser la chaleur générée par les composants chauffants. Comme les processeurs, à l'ensemble du boîtier de l'appareil. Cela permet de dissiper efficacement la chaleur et de garantir que l'appareil ne subira pas de dégradation des performances ou de défaillance due à une surchauffe lors d'une utilisation à long terme.

Batteries au lithium-ion

Dans les batteries lithium-ion, la gestion thermique est essentielle. En tant que composant important du matériau d'électrode de batterie, la conductivité thermique du graphite a un effet important sur les performances et la sécurité de la batterie. La conductivité thermique du graphite a un effet important sur les performances et la sécurité de la batterie. électrode en graphite avec une conductivité thermique élevée permet de dissiper uniformément la chaleur pendant la charge et la décharge de la batterie. Cela permet d'éviter les surchauffes locales qui entraînent une diminution de la capacité de la batterie, une réduction de sa durée de vie et même des problèmes de sécurité. Parallèlement, lors de la conception du bloc-batterie, l'utilisation de matériaux de gestion thermique à base de graphite peut améliorer efficacement la stabilité thermique globale du bloc-batterie. L'efficacité de la charge et de la décharge ainsi que la durée de vie de la batterie s'en trouvent améliorées.

Échangeur de chaleur en graphite

En raison de leur excellente conductivité thermique et de leur grande résistance chimique, les échangeurs de chaleur en graphite sont principalement utilisés dans les applications industrielles qui nécessitent le chauffage ou le refroidissement de fluides hautement corrosifs. Ils sont souvent utilisés dans le traitement chimique, les produits pharmaceutiques et la production de produits chimiques tels que le chlore, les fluorures et le dioxyde de titane. Par exemple, les produits chimiques hautement corrosifs tels que les acides, les alcalis et les chlorures sont manipulés dans des processus tels que l'électrolyse du chlore et de la soude, la production pétrochimique et la fabrication d'acide chloracétique.

Domaine aérospatial

Dans le domaine aérospatial, les équipements doivent fonctionner dans des environnements extrêmes, ce qui nécessite des propriétés thermiques extrêmement élevées des matériaux. Les matériaux en graphite peuvent être utilisés dans la fabrication de systèmes de contrôle thermique pour les composants aérospatiaux. En raison de sa résistance spécifique élevée, de sa faible densité et de son excellente conductivité thermique, le graphite peut être utilisé dans la fabrication de systèmes de contrôle thermique pour les composants aérospatiaux. Par exemple, vous pouvez utiliser des composites en graphite dans le compartiment de l'équipement électronique du satellite. Conduire et dissiper la chaleur générée par l'équipement. Cela permet à l'équipement de fonctionner normalement dans l'environnement spatial à haute et basse température. En outre, vous pouvez également l'utiliser pour fabriquer le bord d'attaque des ailes des avions, les composants des moteurs, buse en graphite etc. Il garantit le fonctionnement normal des composants clés dans des environnements à haute température et assure la sécurité des vols.

Conclusions

La structure cristalline unique du graphite rend sa conductivité thermique anisotrope, ce qui présente des avantages évidents par rapport à d'autres matériaux. Il est donc possible de l'utiliser dans de nombreux domaines. L'optimisation des performances par le contrôle des facteurs d'influence devrait permettre d'améliorer les scénarios de gestion thermique au fur et à mesure que la recherche progresse.