グラファイトの熱伝導率について

黒鉛は材料科学の分野で注目される炭素質材料であり、さまざまな産業で重要な役割を果たすユニークな特性を持っている。その熱伝導特性は、放熱、熱管理、その他の用途を決定する。そして、現代の科学技術の発展に確かな支えを与えている。

グラファイト構造と熱伝導率の基礎

グラファイト結晶構造

グラファイトは典型的な層状結晶構造を持ち、各層は炭素原子間の共有結合によって正六角形の平面網目構造を形成している。この面内共有結合により、炭素原子間の結合力は非常に強い。そして原子は密に規則正しく並んでいる。層は弱いファンデルワールス力によって相互作用する。この弱い力によって、層と層の間を比較的容易にスライドすることができる。層内の強い共有結合は、熱伝導に効率的な経路を提供する。一方、層間のファンデルワールス力は熱伝導をある程度妨げる。そのため、グラファイトの熱伝導率は明らかな異方性を示す。

熱伝導率の基本概念

W/(m・K)で表される熱伝導率は、単位温度勾配において単位時間内に単位垂直面積を通過する熱量を指す。その物理的意義は、材料が熱を伝導する能力を数値化することである。熱伝導率が高ければ高いほど、材料は熱を伝えやすくなる。実際の用途において、熱伝導率は材料の選択と設計に極めて重要である。例えば放熱システムでは、熱を素早く伝えるために熱伝導率の高い材料が必要とされる。

グラファイトの熱伝導率の特徴

方向による熱伝導率の違い

グラファイトでは、面内（炭素原子の平面層内）の熱伝導率は、面間（層間）の熱伝導率よりもはるかに高い。室温では、面内熱伝導率は1500～2000W/(m・K)に達する。一方、表面間の熱伝導率はわずか5～10W/(m・K)である。これは、層内の炭素原子が強い共有結合でつながっているためである。そしてフォノン（格子振動のエネルギー量）は、この秩序構造中を効率よく伝播し、熱を素早く運ぶことができる。しかし、層間の弱いファンデルワールス力によって、フォノンは層間で強い散乱を起こす。これは熱の伝達を大きく妨げ、表面間の熱伝導率を極めて低くする。この熱伝導率の異方性により、グラファイトの応用においては、その方向性を十分に考慮する必要がある。最高の熱伝導特性を発揮するために。

他の素材との熱伝導率の比較

表の比較から、グラファイトの内部熱伝導率はアルミニウムや銅などの一般的な金属よりもはるかに高いことがわかる。そして、非常に高い熱伝導率を持つダイヤモンドによって直接強制されている。ステンレス鋼と比べても大きな利点があり、高伝導金属である銀と比べても見劣りしない。過酷な熱放散の要求に直面しても、その異方性特性は効率的に特定の方向に熱を伝導することができます。高い競争力を持つ素材なのだ。一方、熱伝導率の低い素材である セラミックスグラファイトには、ゴムやプラスチックに比べ、優れた特性があります。また、放熱や熱管理の分野で大きな応用の可能性を秘めている。

グラファイトの熱伝導率に影響を与える要因

結晶欠陥

グラファイト中の点欠陥（空孔、格子間原子）と線欠陥（転位）は熱伝導率に大きく影響する。点欠陥は原子配列を破壊し、フォノンの散乱を増加させ、空孔のような熱伝導を妨げ、フォノンの伝搬エネルギー損失を引き起こす。転位密度が高い場合、フォノン散乱が激しくなり、熱伝導率が著しく低下する。欠陥濃度は熱伝導率と負の相関がある。

不純物含有量

不純物はグラファイトの熱伝導率に影響を与えます。一般的な金属(鉄、ニッケル)や非金属(シリコン、酸素)の不純物は結晶構造を破壊し、フォノンの伝搬を妨害する。不純物の原子サイズや化学的性質は、黒鉛とは異なります。 炭素原子.炭素原子との相互作用により格子が歪み、散乱中心が形成され、フォノンの平均自由行程が短縮され、熱伝導率が低下する。そして、熱伝導率を最適化するために不純物を制御します。

温度変化

熱伝導率に対する温度の影響は複雑である。低温では、フォノンのエネルギーと平均自由行程が増加し、熱伝導率は温度の上昇とともに増加する。温度が高すぎると、フォノンとフォノンの相互作用が強まり、散乱が激しくなる。フォノンの平均自由行程は減少し、熱伝導率は低下する。内部熱伝導率は高温で緩やかに減少し、界面熱伝導率は温度変化に敏感である。

グラファイト熱伝導率の応用

電子チップ

チップの高集積化が進むにつれ、チップの動作時に発生する熱は急激に増加しています。グラファイトは面内熱伝導率が高いため、チップの放熱ソリューションに広く使用することができます。チップと放熱デバイスの間にグラファイト材料を加えることで、チップで発生した熱を素早く外に逃がすことができます。これにより、チップの温度を効果的に低下させ、チップの性能と安定性を向上させます。また、チップの寿命を延ばすこともできます。

グラファイト製ヒートシンク

グラファイトヒートシンクは、グラファイトの熱伝導特性を利用した代表的なアプリケーションです。薄くて曲げやすく、熱伝導率が高い。また、発熱体の表面にフィットするように、さまざまな電子機器の形状に合わせてカスタマイズすることができます。例えば、スマートフォンやタブレットなどのモバイル機器では、グラファイト製ヒートシンクを使用することで、発熱部品から発生する熱を速やかに拡散させることができる。プロセッサなどの熱をデバイスの筐体全体に拡散させることができます。効率的な放熱を実現し、デバイスが長期使用中に過熱による性能低下や故障に見舞われないようにする。

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池において、熱管理は非常に重要である。電池電極材料の重要な構成要素であるグラファイトの熱伝導率は、電池の性能と安全性に重要な影響を及ぼす。黒鉛の熱伝導率は 黒鉛電極 高い熱伝導性により、バッテリーの充放電時の熱を均等に放出します。バッテリーの容量低下や寿命短縮、さらには安全上の問題につながる局所的な過熱を避けることができる。同時に、バッテリーパックの設計において、グラファイトベースの熱管理材料の使用は、効果的にバッテリーパックの全体的な熱安定性を向上させることができます。そして、バッテリーの充放電効率とサイクル寿命を向上させます。

グラファイト製熱交換器

グラファイト熱交換器は、その優れた熱伝導性と高い耐薬品性から、主に腐食性の高い流体の加熱や冷却を必要とする工業用途で使用されている。化学処理、医薬品、塩素、フッ化物、二酸化チタンなどの化学薬品の製造に使用されることが多い。例えば、酸、アルカリ、塩化物などの腐食性の高い化学物質は、クロールアルカリ電解、石油化学製造、クロロ酢酸製造などのプロセスで扱われます。

航空宇宙分野

航空宇宙分野では、極限の環境下で機器を作動させる必要があるため、材料に極めて高い熱特性が求められます。航空宇宙部品の熱制御システムの製造にグラファイト材料を使用することができます。黒鉛は比強度が高く、密度が低く、熱伝導性に優れているからです。例えば、人工衛星の電子機器コンパートメントにグラファイト複合材を使用することができます。機器から発生する熱を伝導・放熱するため。宇宙空間の高温・低温環境でも機器が正常に作動できるようにする。さらに、航空機の翼の前縁やエンジン部品の製造にも使用できる、 グラファイトノズル など。高温環境下での主要部品の正常な動作を保証し、飛行の安全性を確保します。

結論

グラファイトのユニークな結晶構造は、その熱伝導率を異方性にし、他の材料よりも明らかに優れています。そして、多くの分野で広く使用することができる。影響因子を制御することによって性能を最適化することは、研究が進むにつれて、より多くの熱管理シナリオに役立つことが期待される。