Dacă ați avut vreodată un smartphone care a rămas considerabil mai rece decât un model mai nou în timpul unei sesiuni de joc de o oră sau un laptop de gaming care nu sună ca un motor cu reacție care decolează la mijlocul meciului, probabil că ați beneficiat de folie de grafit - unul dintre cele mai versatile materiale de management termic de pe piață. În calitate de furnizor de folie de grafit, inginerii, designerii de produse și chiar pasionații curioși mi-au pus această întrebare în permanență: cum anume această foaie subțire și flexibilă de carbon conduce căldura mult mai bine decât aproape orice alt material comun? Nu este magie, desigur, este știință pură a carbonului și, odată ce o descompuneți, are perfect sens. Să parcurgem structura moleculară, fizica transferului termic și de ce filmul de grafit a devenit soluția de bază pentru orice, de la bateriile EV până la căștile de ultimă generație.
În primul rând, să începem cu ce este de fapt grafitul, pentru că acolo trăiește toată magia conducătoare de căldură. Majoritatea oamenilor cunosc grafitul ca fiind materialul din mine de creion, dar acesta este un amestec puternic comprimat de argilă de grafit și lianți, nu grafitul pur, foarte ordonat, folosit pentru aplicații termice. Grafitul real este o formă de carbon care se aranjează în mod natural într-o rețea hexagonală de tip fagure, ca o foaie de sârmă de pui, cu fiecare atom de carbon legat strâns de trei atomi de carbon vecini. Acesta se numește strat de grafen - o foaie de carbon cu grosimea unui atom, care este deja unul dintre cei mai buni conductori de căldură cunoscuți de om. Când stivuiți milioane de aceste straturi de grafen unul peste altul, cu forțele slabe Van der Waals care le țin împreună, obțineți grafit în vrac. Dar, pentru utilizare termică, luăm acea structură naturală și o rafinăm pentru a crea diferite tipuri de folie de grafit, fiecare adaptată la cazuri specifice de utilizare. De exemplu, al nostruFilm de nanografiteste realizat din fulgi de grafen mai mici, de dimensiuni mai uniforme, ceea ce îi conferă o conductivitate termică în plan excepțională, rămânând în același timp suficient de subțire și flexibil pentru a se potrivi în spații înguste.
Acum, cheia superputerii conducătoare de căldură a grafitului constă în acea rețea hexagonală și în modul în care căldura se mișcă prin ea. Căldura este, în esență, vibrația atomilor și a moleculelor - atunci când un material se încălzește, atomii lui se zgâlțâie mai repede, iar acea energie trebuie să se transfere la atomii vecini pentru a se răspândi. În majoritatea materialelor, acest transfer este lent, deoarece legăturile atomice sunt neregulate sau dezordonate, ceea ce creează „puncte de împrăștiere” în care energia de vibrație se pierde. Luați metale, de exemplu: cuprul este un bun conductor, dar structura sa atomică nu este perfect uniformă, așa că o parte din energia termică se disipează sub formă de rezistență electrică sau unde sonore în loc să se deplaseze prin material. Cu toate acestea, structura în plan a grafitului este aproape perfect ordonată. Acele legături covalente puternice carbon-carbon din straturile de grafen înseamnă că vibrațiile (numite fononi, pentru tocilarii fizicii) se mișcă aproape nestingherite de-a lungul planului foii de grafit. Este ca o autostradă fără semne de oprire sau semafoare – căldura poate trece de-a lungul direcției în avion la viteze de până la 2.000 W/m·K, ceea ce este mult mai mare decât cei aproximativ 401 W/m·K a cuprului. De aceea, pelicula de grafit este atât de eficientă în a împrăștia căldura uniform pe o suprafață, mai degrabă decât a o lăsa să se adună în punctele fierbinți.
Iată unde devine și mai interesant: conductivitatea termică a grafitului este foarte anizotropă, ceea ce este un mod elegant de a spune că conduce căldura foarte bine într-o direcție, dar slab în cealaltă. Direcția în plan (de-a lungul straturilor de grafen) este locul în care are loc toată mișcarea fononului, dar direcția prin plan (perpendiculară pe straturi) este locul în care forțele slabe van der Waals țin împreună foile de grafen, iar acele forțe sunt mult mai slabe, astfel încât fononii se împrăștie în mod constant. Asta înseamnă că căldura nu se mișcă cu ușurință pe verticală printr-o folie de grafit, ceea ce este de fapt o caracteristică, nu un bug. Pentru majoritatea aplicațiilor, doriți să îndepărtați căldura dintr-un hotspot mic (cum ar fi procesorul unui telefon) și să o întindeți pe o suprafață mare pentru a o disipa, în loc să o lăsați să se scufunde direct în interiorul dispozitivului. NoastreFilm de grafit cu disipare a călduriieste conceput pentru a amplifica acest efect anizotrop, cu un raport de 5:1 sau mai mare de conductivitate în plan și prin plan, făcându-l ideal pentru dispozitivele subțiri în care spațiul este limitat.
Desigur, nu toate filmele de grafit sunt create la fel. De-a lungul anilor, am dezvoltat variante specializate pentru a satisface nevoile unice ale diferitelor industrii, fiecare construindu-se pe acea structură centrală a rețelei de grafen. Pentru aplicații care necesită atât conductivitate termică ridicată, cât și stabilitate mecanică, nostruFilm de grafit compozitcombină grafitul pur cu cantități mici de umpluturi polimerice sau ceramice, care adaugă durabilitate și rezistență la îndoire fără a sacrifica transferul de căldură. Acesta este perfect pentru smartphone-urile pliabile, unde ecranul flexibil are nevoie de o soluție termică care să nu se spargă sau să se delamineze după mii de pliuri. Pentru aplicații cu putere mai mare, cum ar fi bateriile pentru vehicule electrice sau procesoarele server, am creat sistemul nostruFilm de grafit compozit multistrat, care stivuiește mai multe straturi de grafit cu un adeziv subțire între ele. Adezivul este proiectat pentru a nu bloca transferul de fonon, astfel încât să obțineți o conductivitate ridicată combinată a mai multor straturi fără pierderea de căldură la care v-ați aștepta de la un adeziv obișnuit.
Sunt adesea întrebat de ce folosim folie de grafit în loc de hârtie simplă de grafit sau grafit în vrac. Diferența se reduce la dimensiunea granulelor și alinierea. Când procesați grafitul în peliculă subțire, puteți alinia perfect straturile de grafen în timpul producției, ceea ce maximizează acea conductivitate termică în plan. Dacă apăsați doar grafit în vrac într-o foaie, straturile de grafen sunt orientate aleatoriu, astfel încât transferul de căldură este mult mai neuniform. NoastreFilm subțire de grafit, de exemplu, are o grosime de doar câțiva microni, cu straturi de grafen aliniate la 0,5 grade unul față de celălalt, oferindu-i o conductivitate în plan de peste 1.800 W/m·K - aproape la fel de mare ca și grafenul sintetic, pur. Acesta este tipul de performanță de care aveți nevoie pentru plăcile grafice de ultimă generație, unde chiar și o scădere de 10% a conductibilității termice poate duce la limitare și performanță redusă.
Să vorbim despre un exemplu din lumea reală pentru a concretiza acest lucru. În urmă cu câteva luni, am lucrat cu un startup care dezvolta un încărcător portabil compact cu un cip de încărcare rapidă de 45 W. Designul original folosea un radiator de cupru, dar era prea voluminos, iar încărcătorul se încingea atât de mult încât era incomod de ținut. Când au schimbat filmul nostru de grafit cu disipare a căldurii, au reușit să reducă dimensiunea radiatorului cu 60% și să reducă temperatura suprafeței dispozitivului cu 12 grade Celsius. De ce? Cuprul împrăștia căldură doar la câțiva milimetri de la cip, dar pelicula de grafit a răspândit aceeași căldură pe toată suprafața superioară a încărcătorului, unde se putea disipa în aer mai repede. Aceasta este exact proprietatea anizotropă la locul de muncă - căldura se mișcă de-a lungul grafitului, nu prin el, așa că este răspândită în loc de concentrată.
O altă întrebare frecventă: cum se compară filmul de grafit cu alte materiale termice, cum ar fi pasta termică, materiale cu schimbare de fază sau conducte de căldură? Pasta termică funcționează prin umplerea golurilor dintre două suprafețe, dar are doar o conductivitate moderată (în jur de 8 W/m·K) și se poate usca în timp, pierzând performanța. Conductele de căldură sunt excelente pentru aplicații de mare putere, dar sunt voluminoase, fragile și nu pot fi folosite în spații foarte mici, cum ar fi ceasurile inteligente sau căștile wireless. Filmul de grafit este subțire, flexibil, ușor și are o conductivitate mult mai mare decât pasta. Singurul dezavantaj este că nu este la fel de bun la transferul căldurii printr-un gol, așa că de obicei îl împerechezi cu o cantitate mică de adeziv termic pentru a face un material de interfață termică complet (TIM).
Acum, să intrăm în partea de producție, pentru că acolo rafinăm grafitul din forma sa brută în filmul de înaltă performanță pe care se bazează clienții noștri. Procesul începe fie cu poliacrilonitril sintetic (PAN), fie cu fulgi de grafit natural. Purificăm materia primă pentru a îndepărta impuritățile precum sulful și ionii metalici, care ar crea puncte de împrăștiere pentru fononi și ar reduce conductivitatea. Apoi, extindem grafitul la temperaturi ridicate, care separă straturile de grafen. Apoi procesăm grafitul expandat într-o suspensie, îl turnăm în foi subțiri și îl comprimăm sub presiune mare pentru a alinia straturile de grafen. Pentru filmul nostru de nanografit, folosim fulgi mai mici și mai uniformi pentru a obține o aliniere și mai bună, în timp ce filmul nostru cu mai multe straturi adaugă un pas secundar de compresie pentru a ne asigura că straturile sunt stivuite perfect. Fiecare lot este testat pentru conductivitate termică, grosime și flexibilitate pentru a ne asigura că îndeplinește standardele noastre stricte.
În calitate de furnizor de folie de grafit, am văzut cum a evoluat acest material în ultimul deceniu. În urmă cu zece ani, folia de grafit era folosită mai ales în telefoane inteligente și electronice mici de larg consum, dar acum este folosită în orice, de la gestionarea termică a bateriei EV până la iluminarea LED, dispozitivele medicale precum aparatele RMN și chiar componentele satelitului. Cererea pentru soluții termice mai bune, mai mici și mai ușoare va crește pe măsură ce dispozitivele devin mai puternice și mai subțiri, iar filmul de grafit este poziționat perfect pentru a satisface această cerere.
Dacă sunteți inginer sau designer de produs care lucrează la un proiect care necesită performanțe termice mai bune, vă încurajez să contactați echipa noastră pentru a discuta nevoile dvs. specifice. Fie că aveți nevoie de o folie subțire pentru un dispozitiv pliabil, de un compozit cu mai multe straturi pentru o baterie de mare putere sau de o folie de dimensiuni personalizate pentru o aplicație medicală, vă putem ajuta să găsiți soluția potrivită de film de grafit. Lucrăm cu clienți din diverse industrii și suntem întotdeauna bucuroși să testăm loturi de mostre pentru a ne asigura că filmul nostru se potrivește cerințelor dumneavoastră. Nu ezitați să contactați echipa noastră pentru a începe următorul proiect de management termic – suntem aici pentru a vă ajuta să construiți produse care funcționează mai rece, durează mai mult și funcționează mai bine.
Referințe
- Balandin, AA (2011). Proprietățile termice ale grafenului și ale materialelor de carbon nanostructurate.Materiale de natură, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y., şi colab. (2018). Conductivitatea termică anizotropă a filmelor de grafit cu orientare ridicată.Carbon, 134, 242-250.
- Moore, AL și Shi, L. (2014). Provocări emergente și materiale pentru managementul termic al electronicelor.Materiale Astăzi, 17(4), 163-174.
- Liu, J., şi colab. (2020). Filme de grafit compozit pentru aplicații de management termic: o revizuire.Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 31(24), 21357-21378.
