Узнайте о теплопроводности графита

Графит - один из самых популярных углеродистых материалов в материаловедении, обладающий уникальными свойствами, которые играют ключевую роль во многих отраслях промышленности. Его характеристики теплопроводности определяют теплоотдачу, терморегулирование и другие сферы применения. И он обеспечивает надежную поддержку развития современной науки и техники.

Структура графита и основа теплопроводности

Кристаллическая структура графита

Графит имеет типичную слоистую кристаллическую структуру, и каждый слой соединен ковалентными связями между атомами углерода, образуя плоскую сетевую структуру из правильных шестиугольников. Ковалентные связи в плоскости делают силу связи между атомами углерода очень сильной. Атомы расположены плотно и регулярно. Слои взаимодействуют друг с другом посредством более слабых ван-дер-ваальсовых сил. Благодаря этим слабым силам между слоями относительно легко скользить. Сильная ковалентная связь в слое обеспечивает эффективный канал для теплопроводности. В то время как ван-дер-ваальсовы силы между слоями в определенной степени препятствуют теплопроводности. Поэтому теплопроводность графита демонстрирует явную анизотропию.

Основное понятие теплопроводности

Теплопроводность, выраженная в Вт/(м-К), означает количество тепла, проходящее через единицу вертикальной площади за единицу времени при единичном градиенте температуры. Ее физическое значение заключается в количественной оценке способности материала проводить тепло. Чем выше теплопроводность, тем легче материал проводит тепло. В практических приложениях теплопроводность имеет решающее значение для выбора и проектирования материалов. Например, в системах теплоотвода, где требуются материалы с высокой теплопроводностью для быстрой передачи тепла.

Характеристики теплопроводности графита

Различия в теплопроводности в разных направлениях

В графите теплопроводность внутри плоскости (внутри плоскости слоев атомов углерода) намного выше, чем теплопроводность между плоскостями (между слоями). При комнатной температуре внутриповерхностная теплопроводность может достигать 1500-2000 Вт/(м-К). В то время как межповерхностная теплопроводность составляет всего 5-10 Вт/(м-К). Это объясняется тем, что атомы углерода в слое соединены прочными ковалентными связями. И фононы (кванты энергии колебаний решетки) могут эффективно распространяться в этой упорядоченной структуре, быстро перенося тепло. Однако в зависимости от слабых ван-дер-ваальсовых сил между слоями фононы будут сильно рассеиваться по слоям. Это значительно затрудняет перенос тепла и делает межповерхностную теплопроводность крайне низкой. Такая анизотропная теплопроводность заставляет полностью учитывать ее направление при применении графита. Для того чтобы воспроизвести наилучшие теплопроводные свойства.

Сравнение теплопроводности с другими материалами

Из сравнения таблиц видно, что внутренняя теплопроводность графита намного выше, чем у обычных металлов, таких как алюминий и медь. К тому же его непосредственно заставляет работать алмаз с очень высокой теплопроводностью. По сравнению с нержавеющей сталью он имеет значительные преимущества, даже если сравнивать его с высокопроводящим металлом серебром, он не уступает. В условиях жестких требований к теплоотдаче его анизотропные характеристики могут эффективно проводить тепло в определенном направлении. Это делает его высококонкурентным материалом. В отличие от этого, для материалов с низкой теплопроводностью, таких как керамикаРезина и пластмассы, графит обладает всеми преимуществами. Он имеет большой потенциал применения в области теплоотдачи и терморегулирования.

Факторы, влияющие на теплопроводность графита

Дефект кристалла

Точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы) и линейные дефекты (дислокации) в графите существенно влияют на теплопроводность. Точечные дефекты разрушают расположение атомов, увеличивают рассеяние фононов, препятствуют теплопроводности, например, вакансии - потере энергии распространения фононов. При высокой плотности дислокаций рассеяние фононов усиливается, а теплопроводность значительно снижается. Концентрация дефектов отрицательно коррелирует с теплопроводностью.

Содержание примесей

Примеси влияют на теплопроводность графита. Обычные металлические (железо, никель) и неметаллические (кремний, кислород) примеси разрушают кристаллическую структуру и мешают распространению фононов. Благодаря своему атомному размеру и химическим свойствам они отличаются от атомы углерода. Его взаимодействие с атомами углерода вызывает искажение решетки, формирует центр рассеяния, сокращает средний свободный путь фононов, снижает теплопроводность. И он контролирует примеси, чтобы оптимизировать теплопроводность.

Изменение температуры

Влияние температуры на теплопроводность имеет сложный характер. При низкой температуре энергия фононов и средний свободный путь увеличиваются, а теплопроводность растет с повышением температуры. При слишком высокой температуре усиливается фонон-фононное взаимодействие, усиливается рассеяние. Средний свободный путь фононов уменьшается, а теплопроводность снижается. Внутренняя теплопроводность медленно уменьшается при высокой температуре, а межфазная теплопроводность более чувствительна к изменению температуры.

Применение теплопроводности графита

Электронные чипы

С непрерывным совершенствованием интеграции микросхем резко возрастает тепло, выделяемое ими в процессе работы. Благодаря высокой теплопроводности в плоскости, графит можно широко использовать в решениях по отводу тепла от микросхем. Добавление графитового материала между чипом и теплоотводящим устройством позволяет быстро отводить тепло, выделяемое чипом. Это эффективно снижает температуру чипа, улучшает его производительность и стабильность. Кроме того, это продлевает срок службы микросхемы.

Графитовый радиатор

Графитовый радиатор - типичное применение, использующее характеристики теплопроводности графита. Он тонкий, легко гнется и обладает высокой теплопроводностью. И его можно приспособить для различных форм электронных устройств, чтобы он помещался на поверхности нагревательного элемента. Например, в мобильных устройствах, таких как смартфоны и планшеты, графитовые радиаторы могут быстро распределить тепло, выделяемое нагревающимися компонентами. Например, процессоров, на весь корпус устройства. Это позволяет добиться эффективного отвода тепла и гарантировать, что при длительном использовании устройства его производительность не снизится и оно не выйдет из строя из-за перегрева.

Литий-ионные аккумуляторы

В литий-ионных батареях терморегулирование имеет решающее значение. Являясь важным компонентом материала электродов батареи, теплопроводность графита оказывает большое влияние на производительность и безопасность батареи. Сайт графитовый электрод Высокая теплопроводность способствует равномерному отводу тепла во время зарядки и разрядки аккумулятора. Это позволяет избежать локального перегрева, который приводит к снижению емкости батареи, сокращению срока службы и даже к проблемам безопасности. В то же время при проектировании батарейного блока использование терморегулирующих материалов на основе графита позволяет эффективно повысить общую термическую стабильность батарейного блока. Затем повысить эффективность заряда и разряда и срок службы батареи.

Графитовый теплообменник

Благодаря отличной теплопроводности и высокой химической стойкости графитовые теплообменники в основном используются в промышленности, где требуется нагрев или охлаждение высокоагрессивных жидкостей. Они часто используются в химической обработке, фармацевтике и производстве таких химических веществ, как хлор, фториды и диоксид титана. Например, высокоагрессивные химические вещества, такие как кислоты, щелочи и хлориды, используются в таких процессах, как хлорно-щелочной электролиз, нефтехимическое производство и производство хлоруксусной кислоты.

Аэрокосмическая отрасль

В аэрокосмической отрасли оборудование должно работать в экстремальных условиях, что требует чрезвычайно высоких тепловых свойств материалов. Вы можете использовать графитовые материалы при изготовлении систем терморегулирования для аэрокосмических компонентов. Благодаря его высокой удельной прочности, низкой плотности и отличной теплопроводности. Например, графитовые композиты можно использовать в отсеке электронного оборудования спутника. Для отвода и рассеивания тепла, выделяемого оборудованием. Обеспечивая нормальную работу оборудования в условиях высоких и низких температур в космосе. Кроме того, его можно использовать для изготовления передней кромки крыльев самолетов, компонентов двигателей, графитовая насадка и т.д. Он обеспечивает нормальную работу ключевых компонентов в условиях высоких температур и гарантирует безопасность полетов.

Выводы

Уникальная кристаллическая структура графита делает его теплопроводность анизотропной, что имеет очевидные преимущества перед другими материалами. Его можно широко использовать во многих областях. Ожидается, что оптимизация характеристик за счет управления влияющими факторами поможет решить больше задач в области терморегулирования по мере развития исследований.