Meer informatie over thermisch geleidingsvermogen van grafiet

Grafiet is een vooraanstaand koolstofhoudend materiaal in de materiaalkunde, met unieke eigenschappen die een sleutelrol spelen in verschillende industrieën. De thermische geleidbaarheid bepaalt de warmteafvoer, het thermisch beheer en andere toepassingen. En het biedt een solide ondersteuning voor de ontwikkeling van moderne wetenschap en technologie.

Grafietstructuur en basis voor thermische geleidbaarheid

Grafiet kristalstructuur

Het grafiet heeft een typische gelaagde kristalstructuur en elke laag is verbonden door covalente bindingen tussen koolstofatomen om een vlakke netwerkstructuur van regelmatige zeshoeken te vormen. Deze covalente binding in het vlak maakt de bindingskracht tussen koolstofatomen erg sterk. En de atomen zijn strak gerangschikt en regelmatig. De lagen interageren met elkaar door zwakkere van der Waals krachten. Deze zwakke kracht maakt het relatief gemakkelijk om tussen de lagen te schuiven. De sterke covalente binding in de laag zorgt voor een efficiënt kanaal voor warmtegeleiding. Terwijl de van der Waals-krachten tussen de lagen de warmtegeleiding tot op zekere hoogte belemmeren. De warmtegeleiding van grafiet vertoont dus een duidelijke anisotropie.

Basisconcept van thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid, uitgedrukt in W/(m-K), verwijst naar de warmte die door een verticale oppervlakte-eenheid gaat in een tijdseenheid bij een temperatuurgradiënt van een eenheid. De fysische betekenis ervan is het kwantificeren van het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Hoe hoger de warmtegeleidingscoëfficiënt, hoe gemakkelijker het materiaal warmte geleidt. In praktische toepassingen is thermische geleidbaarheid cruciaal voor de selectie en het ontwerp van materialen. Bijvoorbeeld in warmteafvoersystemen, waar materialen met een hoge thermische geleidbaarheid nodig zijn om warmte snel te kunnen afvoeren.

Eigenschappen van thermische geleidbaarheid van grafiet

Verschillen in warmtegeleiding in verschillende richtingen

In grafiet is de warmtegeleiding binnen het vlak (binnen de vlakke lagen van koolstofatomen) veel hoger dan de warmtegeleiding tussen de vlakken (tussen de lagen). Bij kamertemperatuur kan het warmtegeleidingsvermogen binnen het oppervlak 1500-2000W /(m-K) bereiken. Terwijl de warmtegeleiding tussen de vlakken slechts 5-10W /(m-K) bedraagt. Dit komt doordat de koolstofatomen binnen de laag met elkaar verbonden zijn door sterke covalente bindingen. En fononen (de energiequanta van roostertrillingen) kunnen zich efficiënt voortplanten in deze geordende structuur, waardoor warmte snel wordt getransporteerd. Echter, afhankelijk van de zwakke van der Waals kracht tussen de lagen, zullen fononen sterk verstrooid worden over de lagen. Dit belemmert de warmteoverdracht enorm en maakt de warmtegeleiding tussen de lagen extreem laag. Deze anisotrope warmtegeleiding maakt het noodzakelijk om de richting ervan volledig te overwegen bij de toepassing van grafiet. Om de beste warmtegeleidingseigenschappen te verkrijgen.

Vergelijking van thermische geleidbaarheid met andere materialen

Uit de tabelvergelijking blijkt dat de interne thermische geleidbaarheid van grafiet veel hoger is dan die van gewone metalen zoals aluminium en koper. En het wordt direct gedwongen door diamant met een zeer hoge thermische geleidbaarheid. Vergeleken met roestvrij staal heeft het aanzienlijke voordelen, zelfs in vergelijking met het metaal zilver met hoge geleidbaarheid is het niet inferieur. Bij zware eisen aan de warmteafvoer kunnen de anisotrope eigenschappen de warmte efficiënt in een bepaalde richting geleiden. Hierdoor is het een zeer concurrerend materiaal. Voor materialen met een laag warmtegeleidingsvermogen zoals keramiekgrafiet, rubber en kunststoffen heeft alle voordelen. En het heeft een groot toepassingspotentieel op het gebied van warmteafvoer en thermisch beheer.

Factoren die de thermische geleidbaarheid van grafiet beïnvloeden

Kristal defect

Puntdefecten (vacatures, interstitiële atomen) en lijndefecten (dislocaties) in grafiet hebben een significante invloed op de warmtegeleiding. Puntdefecten vernietigen atomaire rangschikking, verhogen fononverstrooiing, belemmeren warmtegeleiding, zoals vacature, fononvoortplantingsenergieverlies. Als de dislocatiedichtheid hoog is, wordt de fononverstrooiing intenser en neemt de warmtegeleiding aanzienlijk af. De defectconcentratie is negatief gecorreleerd met het warmtegeleidingsvermogen.

Gehalte aan onzuiverheden

Onzuiverheden beïnvloeden de thermische geleidbaarheid van grafiet. Veel voorkomende metalen (ijzer, nikkel) en niet-metalen (silicium, zuurstof) onzuiverheden vernietigen de kristalstructuur en verstoren de fononvoortplanting. Door hun atomaire grootte en chemische eigenschappen verschillen ze van koolstofatomen. De interactie met koolstofatomen veroorzaakt roostervervorming, vormt een verstrooiingscentrum, verkort de gemiddelde vrije baan van fononen en vermindert de thermische geleidbaarheid. En het controleert onzuiverheden om de thermische geleidbaarheid te optimaliseren.

Temperatuurverandering

De invloed van temperatuur op de warmtegeleiding is complex. Bij lage temperatuur nemen de fononenergie en de gemiddelde vrije weg toe en neemt de warmtegeleiding toe met de temperatuurstijging. Als de temperatuur te hoog is, wordt de fonon-fonon interactie versterkt en de verstrooiing versterkt. De gemiddelde vrije weg van fononen wordt kleiner en het warmtegeleidingsvermogen neemt af. De interne thermische geleidbaarheid neemt langzaam af bij hoge temperatuur en de interfaciale thermische geleidbaarheid is gevoeliger voor temperatuurverandering.

Toepassing van thermische geleidbaarheid van grafiet

Elektronische chips

Door de voortdurende verbetering van de chipintegratie neemt de warmte die chips tijdens het gebruik produceren sterk toe. Vanwege de hoge warmtegeleiding in het vlak kunt u grafiet op grote schaal gebruiken in oplossingen voor warmteafvoer voor chips. Door grafietmateriaal toe te voegen tussen de chip en het warmteafvoerapparaat, kan de warmte die door de chip wordt gegenereerd snel worden afgevoerd. Dit verlaagt effectief de chiptemperatuur en verbetert de prestaties en stabiliteit van de chip. En het verlengt ook de levensduur van de chip.

Grafieten koellichaam

Grafiet koellichaam is een typische toepassing die gebruik maakt van de thermische geleidingskenmerken van grafiet. Het is dun, buigbaar en zeer warmtegeleidend. En je kunt het op maat maken voor verschillende vormen elektronische apparaten, zodat het op het oppervlak van het verwarmingselement past. In mobiele apparaten zoals smartphones en tablets kunnen grafieten koellichamen bijvoorbeeld de warmte die wordt gegenereerd door verwarmingscomponenten snel verspreiden. Zoals processors naar de volledige behuizing van het apparaat. Dit zorgt voor een efficiënte warmteafvoer en zorgt ervoor dat de prestaties van het apparaat niet achteruitgaan of dat er geen storing optreedt door oververhitting tijdens langdurig gebruik.

Lithium-ion batterijen

In lithium-ion-accu's is thermisch beheer van cruciaal belang. Als een belangrijk onderdeel van het elektrodemateriaal van de batterij heeft de thermische geleidbaarheid van grafiet een belangrijk effect op de prestaties en veiligheid van de batterij. De grafietelektrode met een hoge thermische geleidbaarheid helpt warmte gelijkmatig af te voeren tijdens het laden en ontladen van de batterij. Dit voorkomt plaatselijke oververhitting die leidt tot capaciteitsvermindering van de batterij, een kortere levensduur en zelfs veiligheidsproblemen. Tegelijkertijd kan het gebruik van thermische beheersmaterialen op basis van grafiet in het ontwerp van het batterijpak de algehele thermische stabiliteit van het batterijpak effectief verbeteren. Dit verbetert de laad- en ontlaadefficiëntie en de levensduur van de accu.

Grafieten warmtewisselaar

Vanwege het uitstekende warmtegeleidingsvermogen en de hoge chemische bestendigheid worden grafietwarmtewisselaars vooral gebruikt in industriële toepassingen waarbij zeer corrosieve vloeistoffen moeten worden verwarmd of gekoeld. Ze worden vaak gebruikt in chemische verwerking, farmaceutica en de productie van chemicaliën zoals chloor, fluoriden en titaniumdioxide. Zeer corrosieve chemicaliën zoals zuren, basen en chloriden worden bijvoorbeeld gebruikt in processen zoals elektrolyse van chlooralkali, petrochemische productie en de productie van chloorazijnzuur.

Ruimtevaart

In de lucht- en ruimtevaart moet apparatuur in extreme omgevingen werken, wat extreem hoge thermische eigenschappen van materialen vereist. Je kunt grafietmaterialen gebruiken bij de productie van thermische controlesystemen voor luchtvaartonderdelen. Vanwege de hoge specifieke sterkte, lage dichtheid en uitstekende thermische geleidbaarheid. Je kunt grafietcomposieten bijvoorbeeld gebruiken in het compartiment voor elektronische apparatuur van satellieten. Om de door de apparatuur gegenereerde warmte te geleiden en af te voeren. Om ervoor te zorgen dat de apparatuur normaal kan functioneren in de hoge en lage temperaturen in de ruimte. Daarnaast kun je het ook gebruiken om de voorrand van de vleugels van vliegtuigen en motoronderdelen te maken, grafiet mondstuk enz. Het zorgt voor de normale werking van belangrijke componenten in omgevingen met hoge temperaturen en garandeert de vliegveiligheid.

Conclusies

De unieke kristalstructuur van grafiet maakt de thermische geleidbaarheid anisotroop, wat duidelijke voordelen heeft ten opzichte van andere materialen. En je kunt het op veel gebieden gebruiken. Naarmate het onderzoek vordert, zal het optimaliseren van de prestaties door het beheersen van invloedsfactoren naar verwachting bijdragen aan meer scenario's voor thermisch beheer.