Ventajas de los materiales de carbono en conductividad térmica y disipación de calor.
En las industrias actuales de la electrónica y la optoelectrónica, a medida que los dispositivos electrónicos y sus productos evolucionan hacia una alta integración y computación, la potencia disipada se ha duplicado. La disipación de calor se ha convertido gradualmente en un factor clave que limita el desarrollo sostenible de la industria electrónica. Encontrar materiales de gestión térmica con excelente conductividad térmica es crucial para la próxima generación de circuitos integrados y diseños de productos electrónicos tridimensionales.
La conductividad térmica de los materiales cerámicos tradicionales (como el nitruro de boro y el nitruro de aluminio) y de los materiales metálicos (como el cobre y el aluminio) es de tan solo unos cientos de W/(m·K) como máximo. En comparación, la conductividad térmica de los materiales de carbono, como el diamante, el grafito, el grafeno, los nanotubos de carbono y la fibra de carbono, es aún más sorprendente. Por ejemplo, el grafito tiene una conductividad térmica teórica de hasta 4180 W/m·K en la dirección paralela a la capa cristalina, casi diez veces mayor que la de los materiales metálicos tradicionales, como el cobre, la plata y el aluminio. Además, los materiales de carbono también poseen excelentes propiedades como baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y buenas propiedades mecánicas a alta temperatura.
Grafeno
El grafeno es un material con una sola capa de átomos de carbono, extraído del grafito. Presenta una estructura plana bidimensional en forma de panal, compuesta por átomos de carbono de una sola capa, dispuestos de forma compacta en hexágonos regulares. Esta estructura es muy estable. La conexión entre los átomos de carbono dentro del grafeno es muy flexible. Cuando se aplica una fuerza externa al grafeno, la superficie de los átomos de carbono se dobla y deforma, de modo que los átomos de carbono no tienen que reorganizarse para adaptarse a la fuerza externa, manteniendo así la estabilidad estructural. Esta estructura reticular estable confiere al grafeno una excelente conductividad térmica.
Nanotubos de carbono
Desde su descubrimiento en 1991, los nanotubos de carbono han sido objeto de estudio, atrayendo a muchos científicos al estudio de su conductividad térmica. Los nanotubos de carbono están compuestos por láminas de grafito de una o varias capas enrolladas y se dividen en tres tipos: de pared simple, de doble pared y de múltiples paredes.
Su estructura especial confiere a los nanotubos de carbono una conductividad térmica extremadamente alta. Algunos investigadores han calculado que la conductividad térmica de los nanotubos de carbono de pared simple a temperatura ambiente es de 3980 W/(m·K), la de los de doble pared es de 3580 W/(m·K) y la de los de múltiples paredes es de 2860 W/(m·K).
Diamante
La estructura cristalina del diamante consiste en una disposición compacta de átomos de carbono en tetraedros, donde todos los electrones participan en el enlace. Por lo tanto, su conductividad térmica a temperatura ambiente alcanza los 2000-2100 W/(m·K), lo que lo convierte en uno de los materiales con mayor conductividad térmica de la naturaleza. Esta característica lo convierte en un material insustituible en el campo de la disipación de calor de alta gama. Fibra de carbono
La fibra de carbono se trata mediante carbonización a alta temperatura para formar una estructura de grafito turboestrático. Si su red axial de grafito está altamente orientada, puede alcanzar una conductividad térmica ultraalta. Por ejemplo, la conductividad térmica de la fibra de carbono mesofásica basada en brea es de 1100 W/(m·K), y la de la fibra de carbono cultivada en vapor puede alcanzar los 1950 W/(m·K).
Grafito
El grafito tiene una estructura cristalina hexagonal, compuesta por seis facetas y dos planos basales compactados. La primera capa de la red hexagonal de átomos de carbono está escalonada por la mitad de la línea diagonal hexagonal y se superpone en paralelo con la segunda capa. La tercera capa y la primera se repiten en su posición, formando una secuencia ABAB… La conductividad térmica del grafito natural a lo largo del plano cristalino (002) es de 2200 W/(m·K), y la conductividad térmica en el plano del grafito pirolítico altamente orientado también puede alcanzar los 2000 W/(m·K).
Todos los materiales de carbono mencionados presentan una conductividad térmica extremadamente alta, por lo que han atraído mucha atención en el campo de los altos requisitos de disipación térmica. A continuación, analizaremos varios materiales conductores/disipadores de calor clásicos basados en carbono.
Los materiales de carbono, con su estructura cristalina única y sus propiedades físicas y químicas, han demostrado ventajas irremplazables en el campo de la conductividad térmica y la disipación térmica. Con el avance de la tecnología de preparación y la expansión de los escenarios de aplicación, se espera que los materiales basados en carbono, como el grafeno y el diamante, impulsen las soluciones de disipación térmica en industrias como la electrónica y la aeroespacial.