Grafit Termal İletkenliği Hakkında Bilgi Edinin

Grafit, birçok endüstride kilit rol oynayan benzersiz özellikleriyle malzeme biliminde yüksek profilli bir karbonlu malzemedir. Termal iletkenlik özellikleri ısı dağılımını, termal yönetimi ve diğer uygulamaları belirler. Ayrıca modern bilim ve teknolojinin gelişimi için sağlam bir destek sağlar.

Grafit yapısı ve termal iletkenlik temeli

Grafit kristal yapısı

Grafit tipik bir katmanlı kristal yapıya sahiptir ve her katman, düzenli altıgenlerden oluşan düzlemsel bir ağ yapısı oluşturmak için karbon atomları arasındaki kovalent bağlarla bağlanır. Bu düzlem içi kovalent bağ, karbon atomları arasındaki bağlanma kuvvetini çok güçlü hale getirir. Ve atomlar sıkıca düzenlenmiş ve düzenlidir. Katmanlar birbirleriyle daha zayıf van der Waals kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girer. Bu zayıf kuvvet katmanlar arasında kaymayı nispeten kolaylaştırır. Katmandaki güçlü kovalent bağ, ısı iletimi için verimli bir kanal sağlar. Katmanlar arasındaki van der Waals kuvveti ise ısı iletimini bir dereceye kadar engeller. Dolayısıyla grafitin termal iletkenliği belirgin bir anizotropi gösterir.

Termal iletkenliğin temel kavramı

W/(m-K) cinsinden ifade edilen ısıl iletkenlik, birim sıcaklık gradyanında birim zamanda birim dikey alandan geçen ısıyı ifade eder. Fiziksel önemi, bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyetini ölçmektir. Termal iletkenlik ne kadar yüksek olursa, malzemenin ısıyı iletmesi o kadar kolay olur. Pratik uygulamalarda, termal iletkenlik malzemelerin seçimi ve tasarımı için çok önemlidir. Örneğin, ısıyı hızlı bir şekilde aktarmak için yüksek termal iletkenliğe sahip malzemeler gerektiren ısı yayma sistemlerinde olduğu gibi.

Grafit ısı iletkenliğinin özellikleri

Farklı yönlerdeki termal iletkenlik farklılıkları

Grafitte, düzlem içindeki (karbon atomlarının düzlem katmanları içindeki) termal iletkenlik, düzlemler arasındaki (katmanlar arasındaki) termal iletkenlikten çok daha yüksektir. Oda sıcaklığında, yüzey içi termal iletkenlik 1500-2000W /(m-K) değerine ulaşabilir. Yüzeyler arası termal iletkenlik ise sadece 5-10W /(m-K)'dir. Bunun nedeni, katman içindeki karbon atomlarının güçlü kovalent bağlarla birbirine bağlı olmasıdır. Ve fononlar (kafes titreşiminin enerji kuantası) bu düzenli yapıda verimli bir şekilde yayılabilir ve ısıyı hızlı bir şekilde taşıyabilir. Bununla birlikte, katmanlar arasındaki zayıf van der Waals kuvvetine bağlı olarak, fononlar katmanlar boyunca güçlü saçılmalara sahip olacaktır. Bu, ısı transferini büyük ölçüde engeller ve yüzeyler arası termal iletkenliği son derece düşük hale getirir. Bu anizotropik termal iletkenlik, grafit uygulamasında yönünün tam olarak dikkate alınmasını gerekli kılar. En iyi ısı iletim özelliklerini elde etmek için.

Termal iletkenliğin diğer malzemelerle karşılaştırılması

Tablo karşılaştırmasından, grafitin iç termal iletkenliğinin alüminyum ve bakır gibi yaygın metallerden çok daha yüksek olduğu görülebilir. Ve çok yüksek termal iletkenliğe sahip elmas tarafından doğrudan zorlanır. Paslanmaz çelikle karşılaştırıldığında önemli avantajları vardır, yüksek iletkenliğe sahip metal gümüşle karşılaştırıldığında bile daha düşük değildir. Sert ısı dağıtımı gereksinimleri karşısında, anizotropik özellikleri ısıyı belirli bir yönde verimli bir şekilde iletebilir. Bu da onu oldukça rekabetçi bir malzeme haline getirir. Buna karşılık, aşağıdaki gibi düşük ısı iletkenliğine sahip malzemeler için SERAMİKkauçuk ve plastiklere kıyasla grafit tam avantajlara sahiptir. Isı dağıtımı ve termal yönetim alanlarında büyük bir uygulama potansiyeline sahiptir.

Grafitin ısıl iletkenliğini etkileyen faktörler

Kristal kusuru

Grafitteki nokta kusurları (boşluklar, interstisyel atomlar) ve çizgi kusurları (dislokasyonlar) termal iletkenliği önemli ölçüde etkiler. Noktasal kusurlar atomik düzenlemeyi bozar, fonon saçılımını artırır, boşluk, fonon yayılım enerjisi kaybı gibi ısı iletimini engeller. Dislokasyon yoğunluğu yüksek olduğunda, fonon saçılması yoğunlaşır ve termal iletkenlik önemli ölçüde azalır. Kusur konsantrasyonu termal iletkenlik ile negatif ilişkilidir.

Safsızlık içeriği

Safsızlıklar grafitin termal iletkenliğini etkiler. Yaygın metalik (demir, nikel) ve metalik olmayan (silikon, oksijen) safsızlıklar kristal yapıyı bozar ve fonon yayılımını engeller. Atomik boyutları ve kimyasal özellikleri nedeniyle karbon atomları. Karbon atomları ile etkileşimi kafes bozulmasına neden olur, saçılma merkezi oluşturur, fonon ortalama serbest yolunu kısaltır, termal iletkenliği azaltır. Ve termal iletkenliği optimize etmek için safsızlıkları kontrol eder.

Sıcaklık değişimi

Sıcaklığın termal iletkenlik üzerindeki etkisi karmaşıktır. Düşük sıcaklıkta, fonon enerjisi ve ortalama serbest yol artar ve termal iletkenlik sıcaklık artışı ile artar. Sıcaklık çok yüksek olduğunda, fonon-fonon etkileşimi artar, saçılma yoğunlaşır. Fononların ortalama serbest yolu azalır ve termal iletkenlik düşer. İç termal iletkenlik yüksek sıcaklıkta yavaşça azalır ve arayüzey termal iletkenliği sıcaklık değişimine daha duyarlıdır.

Grafit termal iletkenlik uygulaması

Elektronik çipler

Çip entegrasyonunun sürekli gelişmesiyle birlikte, çalışma sırasında çipler tarafından üretilen ısı keskin bir şekilde artmaktadır. Yüksek düzlem içi termal iletkenliği nedeniyle, çipler için ısı dağıtma çözümlerinde grafiti yaygın olarak kullanabilirsiniz. Çip ile ısı dağıtma cihazı arasına grafit malzeme eklenerek, çip tarafından üretilen ısı hızlı bir şekilde dışarı aktarılabilir. Bu, çip sıcaklığını etkili bir şekilde düşürür, çipin performansını ve kararlılığını artırır. Ayrıca çipin hizmet ömrünü de uzatır.

Grafit ısı emici

Grafit ısı emici, grafitin termal iletkenlik özelliklerini kullanan tipik bir uygulamadır. İnce, bükülebilir ve yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Ve ısıtma elemanının yüzeyine uyacak şekilde farklı elektronik cihaz şekilleri için özelleştirebilirsiniz. Örneğin, akıllı telefonlar ve tabletler gibi mobil cihazlarda grafit ısı alıcılar, ısıtma bileşenleri tarafından üretilen ısıyı hızla yayabilir. İşlemciler gibi tüm cihaz gövdesine. Verimli ısı dağılımı sağlamak ve cihazın uzun süreli kullanım sırasında aşırı ısınma nedeniyle performans düşüşüne veya arızaya uğramamasını sağlamak.

Lityum-iyon piller

Lityum-iyon bataryalarda termal yönetim kritik öneme sahiptir. Batarya elektrot malzemesinin önemli bir bileşeni olan grafitin termal iletkenliği, bataryanın performansı ve güvenliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle grafit elektrot yüksek ısı iletkenliği ile akü şarjı ve deşarjı sırasında ısının eşit olarak dağıtılmasına yardımcı olur. Akü kapasitesinin azalmasına, ömrünün kısalmasına ve hatta güvenlik sorunlarına yol açan yerel aşırı ısınmayı önler. Aynı zamanda, batarya paketinin tasarımında grafit bazlı termal yönetim malzemelerinin kullanılması, batarya paketinin genel termal stabilitesini etkili bir şekilde artırabilir. Ardından bataryanın şarj ve deşarj verimliliğini ve çevrim ömrünü iyileştirir.

Grafit ısı eşanjörü

Mükemmel termal iletkenliği ve yüksek kimyasal direnci nedeniyle, grafit ısı eşanjörleri esas olarak yüksek derecede aşındırıcı sıvıların ısıtılmasını veya soğutulmasını gerektiren endüstriyel uygulamalarda kullanılır. Genellikle kimyasal işleme, farmasötikler ve klor, florür ve titanyum dioksit gibi kimyasalların üretiminde kullanılırlar. Örneğin, asitler, alkaliler ve klorürler gibi yüksek korozif kimyasallar klor-alkali elektrolizi, petrokimya üretimi ve kloroasetik asit üretimi gibi işlemlerde kullanılır.

Havacılık ve Uzay Alanı

Havacılık ve uzay alanında, ekipmanın aşırı ortamlarda çalışması gerekir, bu da malzemelerin son derece yüksek termal özellikler göstermesini gerektirir. Havacılık ve uzay bileşenleri için termal kontrol sistemlerinin üretiminde grafit malzemeler kullanabilirsiniz. Yüksek özgül mukavemeti, düşük yoğunluğu ve mükemmel termal iletkenliği nedeniyle. Örneğin, uydunun elektronik ekipman bölmesinde grafit kompozitler kullanabilirsiniz. Ekipman tarafından üretilen ısıyı iletmek ve dağıtmak için. Ekipmanın uzayın yüksek ve düşük sıcaklık ortamında normal şekilde çalışabilmesini sağlar. Buna ek olarak, uçak kanatlarının ön kenarını, motor bileşenlerini üretmek için de kullanabilirsiniz, grafit nozul vb. Yüksek sıcaklık ortamlarında temel bileşenlerin normal çalışmasını ve uçuş güvenliğini sağlar.

Sonuçlar

Grafitin benzersiz kristal yapısı, termal iletkenliğini anizotropik hale getirir ve bu da diğer malzemelere göre bariz avantajlara sahiptir. Ve birçok alanda yaygın olarak kullanılabilir. Etkileyen faktörleri kontrol ederek performansı optimize etmenin, araştırmalar ilerledikçe daha fazla termal yönetim senaryosuna yardımcı olması bekleniyor.