فیلم گرافیت چگونه گرما را هدایت می‌کند؟

اگر تا به حال گوشی هوشمندی را در دست گرفته اید که در طول یک جلسه بازی یک ساعته به طور قابل توجهی خنک تر از مدل های جدیدتر باقی بماند، یا لپ تاپ بازی که صدای موتور جت در اواسط مسابقه به نظر نمی رسد، احتمالاً از فیلم گرافیتی که یکی از همه کاره ترین مواد مدیریت حرارتی در بازار است، سود برده اید. به عنوان یک تامین کننده فیلم گرافیتی، همیشه مهندسان، طراحان محصولات و حتی علاقه مندان کنجکاو از من این سوال را می پرسند: این ورقه نازک و انعطاف پذیر کربن دقیقاً چگونه گرما را بسیار بهتر از تقریباً هر ماده رایج دیگری هدایت می کند؟ البته این جادو نیست - علم کربن خالص است و وقتی آن را تجزیه کنید، کاملاً منطقی است. بیایید ساختار مولکولی، فیزیک انتقال حرارتی، و اینکه چرا فیلم گرافیت به راه حلی برای همه چیز از باتری های EV گرفته تا هدفون های سطح بالا تبدیل شده است را مرور کنیم.

ابتدا، بیایید با چیستی گرافیت شروع کنیم، زیرا همه جادوهای رسانای گرما در آنجا زندگی می کنند. بیشتر مردم گرافیت را به عنوان مواد موجود در سرب مدادی می شناسند، اما این ترکیبی است به شدت فشرده از خاک رس گرافیتی و چسب ها، نه گرافیت خالص و بسیار مرتب که برای کاربردهای حرارتی استفاده می شود. گرافیت واقعی شکلی از کربن است که به طور طبیعی خود را به شکل یک شبکه لانه زنبوری شش ضلعی، مانند یک ورقه سیم مرغ، با هر اتم کربن محکم به سه اتم کربن مجاور متصل می کند. این لایه گرافن نامیده می‌شود - یک ورقه کربن با ضخامت یک اتم که در حال حاضر یکی از بهترین هادی‌های حرارتی شناخته شده برای انسان است. وقتی میلیون‌ها لایه گرافن را روی هم قرار می‌دهید، با نیروهای ضعیف واندروالسی که آنها را کنار هم نگه می‌دارند، گرافیت حجیم به دست می‌آید. اما برای استفاده حرارتی، ما آن ساختار طبیعی را می گیریم و آن را برای ایجاد انواع مختلف فیلم گرافیتی که هر کدام برای موارد استفاده خاص طراحی شده اند، اصلاح می کنیم. مثلا مافیلم نانوگرافیتاز تکه‌های گرافن کوچک‌تر و یکنواخت‌تر ساخته شده است که به آن رسانایی حرارتی استثنایی در صفحه می‌دهد در حالی که به اندازه کافی نازک و انعطاف‌پذیر است تا در فضاهای تنگ جا شود.

اکنون، کلید ابرقدرت رسانای گرما گرافیت در آن شبکه شش ضلعی و نحوه حرکت گرما در آن نهفته است. گرما اساساً ارتعاش اتم‌ها و مولکول‌ها است – وقتی یک ماده گرم می‌شود، اتم‌های آن سریع‌تر تکان می‌خورند و این انرژی برای پخش شدن باید به اتم‌های همسایه منتقل شود. در بیشتر مواد، این انتقال آهسته است زیرا پیوندهای اتمی نامنظم یا نامرتب هستند، که "نقاط پراکندگی" را ایجاد می کند که در آن انرژی ارتعاش از بین می رود. برای مثال فلزات را در نظر بگیرید: مس رسانای خوبی است، اما ساختار اتمی آن کاملاً یکنواخت نیست، بنابراین مقداری از انرژی گرمایی به‌جای حرکت در مواد، به‌صورت مقاومت الکتریکی یا امواج صوتی از بین می‌رود. ساختار درون صفحه گرافیت، با این حال، تقریباً کاملاً مرتب است. این پیوندهای کووالانسی قوی کربن-کربن در لایه‌های گرافن به این معنی است که ارتعاشات (که برای افراد فیزیکدان فونون نامیده می‌شوند) تقریباً بدون مانع در امتداد صفحه ورقه گرافیتی حرکت می‌کنند. این مانند یک بزرگراه بدون علائم توقف یا چراغ راهنمایی است - گرما می تواند با سرعت 2000 W/m·K در امتداد جهت داخل هواپیما حرکت کند، که بسیار بیشتر از مس تقریباً 401 W/m·K است. به همین دلیل است که فیلم گرافیتی در پخش یکنواخت گرما در سطح به جای اینکه اجازه دهد در نقاط داغ جمع شود، بسیار مؤثر است.

اینجاست که جالب‌تر می‌شود: رسانایی گرمایی گرافیت بسیار ناهمسانگرد است، که روشی فانتزی است برای اینکه بگوییم گرما را به خوبی در یک جهت هدایت می‌کند اما در جهت دیگر ضعیف است. جهت درون صفحه (در امتداد لایه‌های گرافن) جایی است که تمام حرکت فونون اتفاق می‌افتد، اما جهت از طریق صفحه (عمود بر لایه‌ها) جایی است که نیروهای ضعیف واندروالس صفحات گرافن را در کنار هم نگه می‌دارند و این نیروها بسیار ضعیف‌تر هستند، بنابراین فونون‌ها دائما پراکنده می‌شوند. این بدان معناست که گرما به راحتی از طریق یک صفحه فیلم گرافیتی به صورت عمودی حرکت نمی کند، که در واقع یک ویژگی است، نه یک اشکال. برای اکثر برنامه‌ها، شما می‌خواهید گرما را از یک هات اسپات کوچک (مانند پردازنده تلفن) دور کنید و آن را در سطح بزرگی پخش کنید تا از بین برود، نه اینکه اجازه دهید مستقیماً در داخل دستگاه فرو برود. مافیلم گرافیت پراکنده حرارتبرای تقویت این اثر ناهمسانگرد طراحی شده است، با نسبت 5:1 یا بالاتر از رسانایی درون صفحه به سطح عبور، که آن را برای دستگاه های نازک که در آن فضا در بالاترین حد قرار دارد، ایده آل می کند.

البته، همه فیلم های گرافیتی یکسان ایجاد نمی شوند. در طول سال‌ها، ما انواع مختلفی را برای رفع نیازهای منحصربه‌فرد صنایع مختلف توسعه داده‌ایم که هر کدام از آن ساختار شبکه گرافن هسته‌ای ساخته شده‌اند. برای کاربردهایی که هم به رسانایی حرارتی بالا و هم به پایداری مکانیکی نیاز دارند، مافیلم کامپوزیت گرافیتگرافیت خالص را با مقادیر کمی پرکننده‌های پلیمری یا سرامیکی ترکیب می‌کند که دوام و مقاومت را به خمش می‌افزاید بدون اینکه انتقال حرارت را به خطر بیندازد. این برای گوشی های هوشمند تاشو عالی است، جایی که صفحه نمایش انعطاف پذیر نیاز به یک محلول حرارتی دارد که بعد از هزاران تا شدن ترک نخورد یا لایه لایه نشود. برای برنامه‌های پرقدرت، مانند بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی یا پردازنده‌های مرکزی سرور، ما خود را ایجاد کرده‌ایمفیلم گرافیت کامپوزیت چند لایهکه چندین لایه گرافیت را با یک چسب نازک بین آنها روی هم قرار می دهد. این چسب طوری مهندسی شده است که انتقال فونون را مسدود نمی کند، بنابراین شما رسانایی ترکیبی بالای چندین لایه را بدون اتلاف حرارتی که از یک چسب معمولی انتظار دارید، دریافت می کنید.

اغلب از من می پرسند که چرا به جای کاغذ گرافیتی ساده یا گرافیت فله از فیلم گرافیتی استفاده می کنیم. تفاوت به اندازه دانه و تراز است. هنگامی که گرافیت را به لایه نازک تبدیل می‌کنید، می‌توانید لایه‌های گرافن را در طول تولید کاملاً تراز کنید، که رسانایی حرارتی درون صفحه را به حداکثر می‌رساند. اگر فقط گرافیت را در یک صفحه فشار دهید، لایه‌های گرافن به‌طور تصادفی جهت‌گیری می‌کنند، بنابراین انتقال حرارت بسیار ناهموارتر می‌شود. مالایه نازک گرافیتبرای مثال، تنها چند میکرون ضخامت دارد و لایه‌های گرافن در فاصله 0.5 درجه از یکدیگر قرار دارند که رسانایی درون صفحه‌ای بیش از 1800 W/m·K به آن می‌دهد - تقریباً به اندازه خود گرافن مصنوعی خالص. این همان عملکردی است که برای کارت‌های گرافیک رده بالا نیاز دارید، جایی که حتی کاهش 10 درصدی رسانایی حرارتی می‌تواند منجر به کاهش عملکرد و کاهش عملکرد شود.

بیایید در مورد یک مثال واقعی برای ساختن این موضوع صحبت کنیم. چند ماه پیش، ما با یک استارتاپ کار کردیم که در حال توسعه یک شارژر قابل حمل جمع و جور با یک تراشه شارژ سریع 45 واتی بود. در طرح اولیه از یک هیت سینک مسی استفاده شده بود، اما خیلی حجیم بود و شارژر آنقدر داغ شد که در دست گرفتن آن ناراحت کننده بود. هنگامی که آنها در فیلم گرافیت پراکنده حرارت ما تعویض کردند، توانستند اندازه هیت سینک را تا 60 درصد کاهش دهند و دمای سطح دستگاه را تا 12 درجه سانتیگراد کاهش دهند. چرا؟ مس تنها چند میلی متر از تراشه گرما پخش می کرد، اما لایه گرافیتی همان گرما را در تمام سطح بالایی شارژر پخش می کرد، جایی که می توانست سریعتر در هوا پخش شود. این دقیقاً خاصیت ناهمسانگرد در کار است - گرما در امتداد گرافیت حرکت می کند، نه از طریق آن، بنابراین به جای متمرکز شدن پخش می شود.

سوال رایج دیگر: فیلم گرافیت در مقایسه با سایر مواد حرارتی مانند خمیر حرارتی، مواد تغییر فاز یا لوله های حرارتی چگونه است؟ خمیر حرارتی با پر کردن شکاف بین دو سطح عمل می کند، اما فقط رسانایی متوسطی دارد (حدود 8 W/m·K) و می تواند در طول زمان خشک شود و عملکرد را از دست بدهد. لوله های حرارتی برای کاربردهای پرقدرت عالی هستند، اما حجیم، شکننده هستند و نمی توان آنها را در فضاهای بسیار کوچک مانند ساعت های هوشمند یا هدفون های بی سیم استفاده کرد. فیلم گرافیت نازک، انعطاف پذیر، سبک وزن است و رسانایی بسیار بالاتری نسبت به خمیر دارد. تنها نقطه ضعف آن این است که در انتقال گرما در یک شکاف خوب نیست، بنابراین معمولاً آن را با مقدار کمی چسب حرارتی جفت می‌کنید تا یک ماده رابط حرارتی کامل (TIM) بسازید.

حال، بیایید وارد بخش تولید شویم، زیرا اینجاست که ما گرافیت را از شکل خام آن به فیلمی با عملکرد بالا که مشتریانمان به آن تکیه می‌کنند، اصلاح می‌کنیم. این فرآیند با پلی اکریلونیتریل مصنوعی (PAN) یا تکه های گرافیت طبیعی شروع می شود. ما مواد خام را خالص می کنیم تا ناخالصی هایی مانند گوگرد و یون های فلزی را از بین ببریم، که باعث ایجاد نقاط پراکندگی برای فونون ها و کاهش رسانایی می شود. سپس گرافیت را در دمای بالا منبسط می کنیم که لایه های گرافن را جدا می کند. سپس گرافیت منبسط شده را به صورت دوغاب پردازش می کنیم، آن را به ورقه های نازک ریخته و آن را تحت فشار زیاد فشرده می کنیم تا لایه های گرافن تراز شوند. برای لایه نانوگرافیت خود، از تکه های کوچکتر و یکنواخت تر استفاده می کنیم تا تراز بهتری داشته باشیم، در حالی که فیلم چند لایه ما یک مرحله فشرده سازی ثانویه را اضافه می کند تا اطمینان حاصل شود که لایه ها کاملاً روی هم چیده شده اند. هر دسته از نظر هدایت حرارتی، ضخامت و انعطاف پذیری آزمایش می شود تا مطمئن شویم که استانداردهای سختگیرانه ما را برآورده می کند.

به عنوان یک تامین کننده فیلم گرافیتی، من نحوه تکامل این ماده را در دهه گذشته مشاهده کرده ام. ده سال پیش، فیلم گرافیتی بیشتر در گوشی‌های هوشمند و لوازم الکترونیکی مصرفی کوچک استفاده می‌شد، اما اکنون در همه چیز از مدیریت حرارتی باتری EV گرفته تا روشنایی LED، دستگاه‌های پزشکی مانند دستگاه‌های MRI و حتی قطعات ماهواره‌ای استفاده می‌شود. تقاضا برای راه‌حل‌های حرارتی بهتر، کوچک‌تر و سبک‌تر تنها زمانی افزایش می‌یابد که دستگاه‌ها قوی‌تر و نازک‌تر می‌شوند و فیلم گرافیت کاملاً برای پاسخگویی به این تقاضا قرار دارد.

اگر شما یک مهندس یا طراح محصول هستید که روی پروژه‌ای کار می‌کنید که به عملکرد حرارتی بهتری نیاز دارد، توصیه می‌کنم با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خاص خود صحبت کنید. چه به یک لایه نازک برای یک دستگاه تاشو نیاز داشته باشید، چه به یک کامپوزیت چند لایه برای باتری پرقدرت، یا یک ورق با اندازه سفارشی برای یک کاربرد پزشکی، ما می‌توانیم به شما در یافتن راه‌حل مناسب فیلم گرافیت کمک کنیم. ما با مشتریان در سراسر صنایع کار می کنیم و همیشه خوشحالیم که نمونه دسته ها را آزمایش می کنیم تا مطمئن شویم که فیلم ما مطابق با نیازهای شما است. برای شروع پروژه مدیریت حرارتی بعدی خود در تماس با تیم ما دریغ نکنید - ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم محصولاتی بسازید که خنک‌تر، ماندگارتر و عملکرد بهتری داشته باشند.

مراجع

1. Balandin، AA (2011). خواص حرارتی گرافن و مواد کربنی نانوساختار.مواد طبیعی، 10(8)، 569-581.
2. Zhang، Y.، و همکاران. (2018). هدایت حرارتی ناهمسانگرد فیلم های گرافیت با جهت گیری بالاکربن، 134، 242-250.
3. Moore, AL, & Shi, L. (2014). چالش ها و مواد در حال ظهور برای مدیریت حرارتی الکترونیکمواد امروز، 17 (4)، 163-174.
4. لیو، جی، و همکاران. (2020). فیلم‌های گرافیت کامپوزیت برای کاربردهای مدیریت حرارتی: بررسیمجله علم مواد: مواد در الکترونیک، 31(24)، 21357-21378.