Saiba mais sobre a condutividade térmica do grafite

O grafite é um material carbonáceo de grande destaque na ciência dos materiais, com propriedades exclusivas que desempenham um papel fundamental em vários setores. Suas características de condutividade térmica determinam a dissipação de calor, o gerenciamento térmico e outras aplicações. Além disso, ele fornece um suporte sólido para o desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas.

Estrutura do grafite e base de condutividade térmica

Estrutura cristalina do grafite

O grafite tem uma estrutura cristalina típica em camadas, e cada camada é conectada por ligações covalentes entre os átomos de carbono para formar uma estrutura de rede plana de hexágonos regulares. Essa ligação covalente no plano torna a força de ligação entre os átomos de carbono muito forte. E os átomos são bem organizados e regulares. As camadas interagem umas com as outras por meio de forças de van der Waals mais fracas. Essa força fraca faz com que seja relativamente fácil deslizar entre as camadas. A forte ligação covalente na camada fornece um canal eficiente para a condução de calor. Já a força de van der Waals entre as camadas dificulta a condução de calor até certo ponto. Portanto, a condutividade térmica do grafite mostra uma anisotropia óbvia.

Conceito básico de condutividade térmica

A condutividade térmica, expressa em W/(m-K), refere-se ao calor que passa por uma unidade de área vertical em uma unidade de tempo em um gradiente de temperatura unitário. Seu significado físico é quantificar a capacidade de um material de conduzir calor. E quanto maior a condutividade térmica, mais fácil é para o material conduzir o calor. Em aplicações práticas, a condutividade térmica é fundamental para a seleção e o design de materiais. Por exemplo, em sistemas de dissipação de calor, que exigem materiais com alta condutividade térmica para transferir calor rapidamente.

Características da condutividade térmica do grafite

Diferenças na condutividade térmica em diferentes direções

No grafite, a condutividade térmica dentro do plano (dentro das camadas planas de átomos de carbono) é muito maior do que a condutividade térmica entre os planos (entre as camadas). À temperatura ambiente, a condutividade térmica na superfície pode chegar a 1500-2000W /(m-K). Enquanto a condutividade térmica entre as superfícies é de apenas 5 a 10 W / (m-K). Isso ocorre porque os átomos de carbono dentro da camada estão conectados por fortes ligações covalentes. E os fônons (os quanta de energia da vibração da rede) podem se propagar com eficiência nessa estrutura ordenada, transportando calor rapidamente. No entanto, dependendo da fraca força de van der Waals entre as camadas, os fônons terão uma forte dispersão entre as camadas. Isso dificulta muito a transferência de calor e torna a condutividade térmica entre as superfícies extremamente baixa. Essa condutividade térmica anisotrópica faz com que seja necessário considerar totalmente sua direção na aplicação do grafite. Para obter as melhores propriedades de condução de calor.

Comparação da condutividade térmica com outros materiais

A partir da comparação da tabela, pode-se observar que a condutividade térmica interna do grafite é muito maior do que a de metais comuns, como alumínio e cobre. E é diretamente forçado pelo diamante com condutividade térmica muito alta. Em comparação com o aço inoxidável, ele tem vantagens significativas, e mesmo quando comparado com a prata metálica de alta condutividade, ele não é inferior. Diante de requisitos rigorosos de dissipação de calor, suas características anisotrópicas podem conduzir o calor com eficiência em uma direção específica. Isso o torna um material altamente competitivo. Em contrapartida, para materiais com baixa condutividade térmica, como cerâmicaEm um ambiente de alta temperatura, borracha e plásticos, o grafite tem todas as vantagens. E tem grande potencial de aplicação nos campos de dissipação de calor e gerenciamento térmico.

Fatores que afetam a condutividade térmica do grafite

Defeito no cristal

Os defeitos pontuais (vacâncias, átomos intersticiais) e os defeitos de linha (deslocamentos) no grafite afetam significativamente a condutividade térmica. Os defeitos pontuais destroem o arranjo atômico, aumentam a dispersão de fônons, dificultam a condução de calor, como a vacância, a perda de energia de propagação de fônons. Quando a densidade de deslocamento é alta, a dispersão de fônons se intensifica e a condutividade térmica diminui significativamente. A concentração de defeitos está negativamente correlacionada com a condutividade térmica.

Teor de impurezas

As impurezas afetam a condutividade térmica do grafite. As impurezas metálicas (ferro, níquel) e não metálicas (silício, oxigênio) comuns destroem a estrutura cristalina e interferem na propagação de fônons. Devido ao seu tamanho atômico e às suas propriedades químicas, elas são diferentes das átomos de carbono. Sua interação com átomos de carbono causa distorção da rede, forma um centro de dispersão, encurta o caminho livre médio dos fônons e reduz a condutividade térmica. E controla as impurezas para otimizar a condutividade térmica.

Mudança de temperatura

A influência da temperatura na condutividade térmica é complexa. Em baixa temperatura, a energia do fônon e o caminho livre médio aumentam e a condutividade térmica aumenta com o aumento da temperatura. Quando a temperatura é muito alta, a interação fônon-fônon é aprimorada e a dispersão é intensificada. O caminho livre médio dos fônons é reduzido, e a condutividade térmica diminui. A condutividade térmica interna diminui lentamente em altas temperaturas, e a condutividade térmica interfacial é mais sensível à mudança de temperatura.

Aplicação da condutividade térmica do grafite

Chips eletrônicos

Com o aprimoramento contínuo da integração de chips, o calor gerado por eles durante a operação aumenta drasticamente. Devido à sua alta condutividade térmica no plano, é possível usar amplamente o grafite em soluções de dissipação de calor para chips. Ao adicionar material de grafite entre o chip e o dispositivo de dissipação de calor, o calor gerado pelo chip pode ser rapidamente transmitido para fora. Isso reduz efetivamente a temperatura do chip, melhora o desempenho e a estabilidade do chip. E também prolonga a vida útil do chip.

Dissipador de calor de grafite

O dissipador de calor de grafite é uma aplicação típica que utiliza as características de condutividade térmica do grafite. Ele é fino, dobrável e altamente condutor de calor. Além disso, é possível personalizá-lo para diferentes formatos de dispositivos eletrônicos para que se encaixe na superfície do elemento de aquecimento. Por exemplo, em dispositivos móveis, como smartphones e tablets, os dissipadores de calor de grafite podem espalhar rapidamente o calor gerado pelos componentes de aquecimento. Como processadores, por exemplo, para toda a carcaça do dispositivo. Conseguindo uma dissipação de calor eficiente e garantindo que o dispositivo não sofra degradação de desempenho ou falha devido ao superaquecimento durante o uso prolongado.

Baterias de íons de lítio

Nas baterias de íons de lítio, o gerenciamento térmico é fundamental. Como um componente importante do material do eletrodo da bateria, a condutividade térmica do grafite tem um efeito importante no desempenho e na segurança da bateria. A eletrodo de grafite com alta condutividade térmica ajuda a dissipar uniformemente o calor durante a carga e a descarga da bateria. Evitando o superaquecimento local que leva à atenuação da capacidade da bateria, à redução da vida útil e até mesmo a problemas de segurança. Ao mesmo tempo, no projeto do conjunto de baterias, o uso de materiais de gerenciamento térmico à base de grafite pode melhorar efetivamente a estabilidade térmica geral do conjunto de baterias. Em seguida, melhora a eficiência de carga e descarga e o ciclo de vida da bateria.

Trocador de calor de grafite

Devido à sua excelente condutividade térmica e alta resistência química, os trocadores de calor de grafite são usados principalmente em aplicações industriais que exigem aquecimento ou resfriamento de fluidos altamente corrosivos. Eles são usados com frequência em processamento químico, produtos farmacêuticos e na produção de produtos químicos, como cloro, fluoretos e dióxido de titânio. Por exemplo, produtos químicos altamente corrosivos, como ácidos, álcalis e cloretos, são manuseados em processos como eletrólise de cloro e álcalis, produção petroquímica e fabricação de ácido cloroacético.

Campo aeroespacial

No campo aeroespacial, os equipamentos precisam trabalhar em ambientes extremos, o que exige propriedades térmicas extremamente altas dos materiais. É possível usar materiais de grafite na fabricação de sistemas de controle térmico para componentes aeroespaciais. Devido à sua alta resistência específica, baixa densidade e excelente condutividade térmica. Por exemplo, é possível usar compostos de grafite no compartimento do equipamento eletrônico do satélite. Para conduzir e dissipar o calor gerado pelo equipamento. Garantindo que o equipamento possa operar normalmente no ambiente de alta e baixa temperatura do espaço. Além disso, você também pode usá-lo para fabricar a borda dianteira das asas das aeronaves e os componentes do motor, bocal de grafite etc. Ele garante a operação normal dos principais componentes em ambientes de alta temperatura e garante a segurança do voo.

Conclusões

A estrutura cristalina exclusiva do grafite faz com que sua condutividade térmica seja anisotrópica, o que apresenta vantagens óbvias em relação a outros materiais. E você pode usá-lo amplamente em muitos campos. Espera-se que a otimização do desempenho por meio do controle dos fatores de influência ajude mais cenários de gerenciamento térmico à medida que a pesquisa avança.