Дізнайтеся про теплопровідність графіту

Графіт - важливий вуглецевий матеріал у матеріалознавстві, що має унікальні властивості, які відіграють ключову роль у багатьох галузях промисловості. Його характеристики теплопровідності визначають тепловіддачу, терморегуляцію та інші сфери застосування. Він забезпечує надійну підтримку розвитку сучасної науки і техніки.

Структура графіту та основа теплопровідності

Кристалічна структура графіту

Графіт має типову шарувату кристалічну структуру, і кожен шар з'єднаний ковалентними зв'язками між атомами вуглецю, утворюючи плоску сітчасту структуру правильних шестикутників. Цей плоский ковалентний зв'язок робить силу зв'язку між атомами вуглецю дуже сильною. Атоми щільно розташовані та упорядковані. Шари взаємодіють один з одним за допомогою слабших сил Ван-дер-Ваальса. Ця слабка сила дозволяє відносно легко ковзати між шарами. Міцний ковалентний зв'язок у шарі забезпечує ефективний канал для теплопровідності. У той час як сила Ван-дер-Ваальса між шарами певною мірою перешкоджає теплопровідності. Таким чином, теплопровідність графіту демонструє очевидну анізотропію.

Базове поняття теплопровідності

Теплопровідність, виражена у Вт/(м-К), відноситься до тепла, що проходить через одиницю вертикальної площі за одиницю часу при одиничному градієнті температури. Її фізичне значення полягає в кількісній оцінці здатності матеріалу проводити тепло. І чим вища теплопровідність, тим легше матеріалу проводити тепло. У практичному застосуванні теплопровідність має вирішальне значення для вибору і проектування матеріалів. Наприклад, у системах розсіювання тепла, які потребують матеріалів з високою теплопровідністю для швидкої передачі тепла.

Характеристики теплопровідності графіту

Відмінності в теплопровідності в різних напрямках

У графіті теплопровідність всередині площини (в межах плоских шарів атомів вуглецю) набагато вища, ніж теплопровідність між площинами (між шарами). При кімнатній температурі внутрішньоплощинна теплопровідність може досягати 1500-2000 Вт/(м-К). Тоді як міжповерхнева теплопровідність становить лише 5-10 Вт/(м-К). Це пояснюється тим, що атоми вуглецю в шарі з'єднані міцними ковалентними зв'язками. І фонони (кванти енергії коливань кристалічної решітки) можуть ефективно поширюватися в цій впорядкованій структурі, швидко переносячи тепло. Однак, в залежності від слабкої сили Ван-дер-Ваальса між шарами, фонони матимуть сильне розсіювання між шарами. Це значно ускладнює передачу тепла і робить міжповерхневу теплопровідність надзвичайно низькою. Ця анізотропна теплопровідність змушує повністю враховувати її напрямок при застосуванні графіту. Для того, щоб відтворити найкращі властивості теплопровідності.

Порівняння теплопровідності з іншими матеріалами

З порівняння таблиць видно, що внутрішня теплопровідність графіту набагато вища, ніж у звичайних металів, таких як алюміній і мідь. І це безпосередньо зумовлено алмазом з дуже високою теплопровідністю. У порівнянні з нержавіючою сталлю він має значні переваги, навіть у порівнянні з високопровідним металевим сріблом він не поступається. В умовах жорстких вимог до розсіювання тепла його анізотропні характеристики можуть ефективно проводити тепло в певному напрямку. Це робить його висококонкурентним матеріалом. На відміну від цього, для матеріалів з низькою теплопровідністю, таких як керамікаГрафіт має всі переваги у виробництві сталі, гуми та пластмас. І він має великий потенціал застосування у сферах відведення тепла та терморегуляції.

Фактори, що впливають на теплопровідність графіту

Кристалічний дефект

Точкові дефекти (вакансії, міжвузлові атоми) та лінійні дефекти (дислокації) в графіті суттєво впливають на теплопровідність. Точкові дефекти руйнують атомне розташування, збільшують розсіювання фононів, перешкоджають теплопровідності, наприклад, вакансії, втрата енергії поширення фононів. Коли щільність дислокацій висока, фононне розсіювання інтенсифікується, а теплопровідність значно зменшується. Концентрація дефектів негативно корелює з теплопровідністю.

Вміст домішок

Домішки впливають на теплопровідність графіту. Поширені металеві (залізо, нікель) і неметалеві (кремній, кисень) домішки руйнують кристалічну структуру і перешкоджають поширенню фононів. Завдяки своїм атомним розмірам і хімічним властивостям вони відрізняються від атоми вуглецю. Його взаємодія з атомами вуглецю викликає спотворення кристалічної решітки, утворює центр розсіювання, скорочує середній вільний пробіг фононів, зменшує теплопровідність. А також контролює домішки для оптимізації теплопровідності.

Зміна температури

Вплив температури на теплопровідність є складним. При низькій температурі енергія фононів і середня довжина вільного пробігу збільшуються, і теплопровідність зростає з підвищенням температури. Коли температура занадто висока, фонон-фононна взаємодія посилюється, розсіювання інтенсифікується. Середній вільний пробіг фононів зменшується, і теплопровідність знижується. Внутрішня теплопровідність зменшується повільно при високій температурі, а міжфазна теплопровідність більш чутлива до зміни температури.

Застосування графітової теплопровідності

Електронні мікросхеми

З постійним вдосконаленням інтеграції мікросхем, тепло, що виділяється мікросхемами під час роботи, різко зростає. Завдяки високій площинній теплопровідності графіт можна широко використовувати в рішеннях для розсіювання тепла для мікросхем. Додаючи графітовий матеріал між мікросхемою та пристроєм відведення тепла, тепло, що генерується мікросхемою, може швидко передаватися назовні. Це ефективно знижує температуру мікросхеми, покращує продуктивність і стабільність мікросхеми. А також продовжує термін служби мікросхеми.

Графітовий радіатор

Графітовий радіатор - типовий приклад використання теплопровідних характеристик графіту. Він тонкий, гнеться і має високу теплопровідність. І ви можете налаштувати його під різні форми електронних пристроїв, щоб він прилягав до поверхні нагрівального елементу. Наприклад, у мобільних пристроях, таких як смартфони та планшети, графітові радіатори можуть швидко поширювати тепло, що виділяється при нагріванні компонентів. Наприклад, процесорів, на весь корпус пристрою. Досягнення ефективного розсіювання тепла і гарантування того, що пристрій не постраждає від погіршення продуктивності або виходу з ладу через перегрів під час тривалого використання.

Літій-іонні акумулятори

У літій-іонних акумуляторах управління тепловим режимом має вирішальне значення. Як важливий компонент матеріалу електродів акумулятора, теплопровідність графіту має важливий вплив на продуктивність і безпеку акумулятора. У дослідженні графітовий електрод з високою теплопровідністю допомагає рівномірно розсіювати тепло під час заряджання та розряджання акумулятора. Уникнути локального перегріву, який призводить до зниження ємності акумулятора, скорочення терміну служби і навіть до проблем з безпекою. У той же час, в конструкції акумуляторної батареї використання матеріалів на основі графіту може ефективно поліпшити загальну термічну стабільність акумуляторної батареї. А отже, підвищити ефективність заряду і розряду та тривалість циклу роботи акумулятора.

Графітовий теплообмінник

Завдяки відмінній теплопровідності і високій хімічній стійкості графітові теплообмінники в основному використовуються в промислових установках, які вимагають нагрівання або охолодження висококорозійних рідин. Вони часто використовуються в хімічній промисловості, фармацевтиці та виробництві таких хімічних речовин, як хлор, фториди і діоксид титану. Наприклад, висококорозійні хімічні речовини, такі як кислоти, луги і хлориди, використовуються в таких процесах, як хлорно-лужний електроліз, нафтохімічне виробництво і виробництво хлороцтової кислоти.

Аерокосмічна галузь

В аерокосмічній галузі обладнання має працювати в екстремальних умовах, що вимагає надзвичайно високих термічних властивостей матеріалів. У виготовленні систем терморегулювання аерокосмічних компонентів можна використовувати графітові матеріали. Завдяки високій питомій міцності, низькій щільності та відмінній теплопровідності. Наприклад, графітові композити можна використовувати у відсіку електронного обладнання супутника. Для проведення та розсіювання тепла, що генерується обладнанням. Забезпечення нормальної роботи обладнання в умовах високих і низьких температур космічного середовища. Крім того, з нього також можна виготовляти передню кромку крил літаків, деталі двигунів, графітове сопло тощо. Вона забезпечує нормальну роботу ключових компонентів в умовах високих температур і гарантує безпеку польотів.

Висновки

Унікальна кристалічна структура графіту робить його теплопровідність анізотропною, що має очевидні переваги над іншими матеріалами. І ви можете широко використовувати його в багатьох сферах. Очікується, що оптимізація продуктивності шляхом контролю факторів, що впливають на неї, допоможе створити більше сценаріїв терморегулювання в міру прогресу досліджень.