مزايا المواد الكربونية في التوصيل الحراري وتبديد الحرارة

في صناعتي الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية الحاليتين، ومع تطور الأجهزة الإلكترونية ومنتجاتها نحو التكامل العالي والحوسبة العالية، تضاعفت الطاقة المُبددة. وأصبح تبديد الحرارة تدريجيًا عاملًا رئيسيًا يُعيق التنمية المستدامة لصناعة الإلكترونيات. يُعدّ إيجاد مواد مُدارة للحرارة ذات موصلية حرارية ممتازة أمرًا بالغ الأهمية للجيل القادم من الدوائر المتكاملة وتصميمات المنتجات الإلكترونية ثلاثية الأبعاد.

لا تتجاوز الموصلية الحرارية للمواد الخزفية التقليدية (مثل نيتريد البورون ونيتريد الألومنيوم) والمواد المعدنية (مثل النحاس والألومنيوم) بضع مئات من واط/متر·كلفن كحد أقصى. وبالمقارنة، فإن الموصلية الحرارية للمواد الكربونية مثل الماس والجرافيت والجرافين وأنابيب الكربون النانوية وألياف الكربون أكثر إثارة للإعجاب. على سبيل المثال، يتمتع الجرافيت بموصلية حرارية نظرية تصل إلى 4180 واط/متر·كلفن في الاتجاه الموازي لطبقة البلورة، وهو ما يُقارب عشرة أضعاف الموصلية الحرارية للمواد المعدنية التقليدية مثل النحاس والفضة والألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك، تتميز المواد الكربونية بخصائص ممتازة، مثل انخفاض الكثافة، وانخفاض معامل التمدد الحراري، وخصائص ميكانيكية جيدة في درجات الحرارة العالية.

الجرافين

الجرافين مادة سطحية أحادية الطبقة من ذرات الكربون، مُقشّرة من الجرافيت. يتميز ببنية مستوية ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل، تتكون من ذرات كربون أحادية الطبقة مُرتبة بإحكام في أشكال سداسية منتظمة. يتميز هذا الهيكل بثباته العالي، كما أن الارتباط بين ذرات الكربون داخل الجرافين مرن للغاية. عند تطبيق قوة خارجية على الجرافين، ينحني سطح ذرة الكربون ويتشوه، مما يمنع ذرات الكربون من إعادة ترتيب نفسها للتكيف مع القوة الخارجية، مما يحافظ على استقراره الهيكلي. يمنح هذا الهيكل الشبكي المستقر الجرافين موصلية حرارية ممتازة.

أنابيب الكربون النانوية

منذ اكتشاف أنابيب الكربون النانوية عام ١٩٩١، أصبحت محط اهتمام العديد من العلماء لدراسة الموصلية الحرارية لأنابيب الكربون النانوية. تُصنع أنابيب الكربون النانوية من صفائح جرافيت أحادية أو متعددة الطبقات ملتفة، وتنقسم إلى ثلاثة أنواع: أحادية الجدار، مزدوجة الجدار، ومتعددة الجدران.

يمنح هذا الهيكل الخاص أنابيب الكربون النانوية موصلية حرارية عالية للغاية. وقد قدر بعض الباحثين أن الموصلية الحرارية لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار في درجة حرارة الغرفة تبلغ 3980 واط/م·ك، والموصلية الحرارية لأنابيب الكربون النانوية مزدوجة الجدار 3580 واط/م·ك، والموصلية الحرارية لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران 2860 واط/م·ك.

الماس

يتكون التركيب البلوري للماس من ترتيب متقارب لذرات الكربون في رباعيات السطوح، حيث تشارك جميع الإلكترونات في الترابط. لذلك، تتراوح موصليته الحرارية في درجة حرارة الغرفة بين 2000 و2100 واط/م·ك، وهو من أفضل المواد في الطبيعة. هذه الميزة تجعله مادةً لا غنى عنها في مجال تبديد الحرارة عالي الجودة.

ألياف الكربون

تُعالَج ألياف الكربون بالكربنة عالية الحرارة لتشكيل بنية جرافيتية تربوستراتية. إذا كانت شبكة الجرافيت المحورية الخاصة بها عالية التوجيه، فيمكنها تحقيق موصلية حرارية فائقة. على سبيل المثال، تبلغ الموصلية الحرارية لألياف الكربون القائمة على درجة حرارة الطور المتوسط ​​1100 واط/متر·كلفن، ويمكن أن تصل الموصلية الحرارية لألياف الكربون المزروعة بالبخار إلى 1950 واط/متر·كلفن.

الجرافيت

يتميز الجرافيت ببنية بلورية سداسية، تتكون من ستة أوجه ومستويين قاعديين متراصين. تتداخل الطبقة الأولى من الشبكة السداسية لذرات الكربون بمقدار نصف الخط القطري السداسي، وتتداخل بالتوازي مع الطبقة الثانية. تتكرر الطبقة الثالثة والطبقة الأولى في مواقعهما، لتشكلا تسلسل ABAB… تبلغ الموصلية الحرارية للجرافيت الطبيعي على طول المستوى البلوري (002) 2200 واط/(م·ك)، ويمكن أن تصل الموصلية الحرارية داخل المستوى للجرافيت التحللي الحراري عالي التوجيه إلى 2000 واط/(م·ك).

تتميز جميع المواد الكربونية المذكورة أعلاه بموصلية حرارية عالية للغاية، مما جذب اهتمامًا كبيرًا في مجال متطلبات تبديد الحرارة العالية. لنلقِ نظرة على بعض المواد الكربونية الكلاسيكية الموصلة/المبددة للحرارة.

أثبتت المواد الكربونية، ببنيتها البلورية الفريدة وخصائصها الفيزيائية والكيميائية، مزايا لا غنى عنها في مجال التوصيل الحراري وتبديد الحرارة. ومع تطور تكنولوجيا التحضير وتوسع نطاق تطبيقاتها، من المتوقع أن ترتقي المواد الكربونية، مثل الجرافين والماس، بحلول تبديد الحرارة في صناعات مثل الإلكترونيات والفضاء إلى مستوى أعلى.