مزایای مواد کربنی در رسانایی حرارتی و اتلاف گرما
در صنایع الکترونیک و اپتوالکترونیک فعلی، با پیشرفت دستگاه‌های الکترونیکی و محصولات آنها به سمت ادغام بالا و محاسبات بالا، توان تلف شده دو برابر شده است. اتلاف گرما به تدریج به یک عامل کلیدی محدود کننده توسعه پایدار صنعت الکترونیک تبدیل شده است. یافتن مواد مدیریت گرما با رسانایی حرارتی عالی برای نسل بعدی مدارهای مجتمع و طراحی محصولات الکترونیکی سه بعدی بسیار مهم است.
رسانایی حرارتی مواد سرامیکی سنتی (مانند نیترید بور، نیترید آلومینیوم) و مواد فلزی (مانند مس، آلومینیوم) حداکثر تنها چند صد وات بر (m·K) است. در مقایسه، رسانایی حرارتی مواد کربنی مانند الماس، گرافیت، گرافن، نانولوله‌های کربنی و فیبر کربن حتی شگفت‌انگیزتر است. به عنوان مثال، گرافیت دارای رسانایی حرارتی نظری تا ۴۱۸۰ وات بر متر کلوین در جهت موازی با لایه کریستالی است که تقریباً ۱۰ برابر مواد فلزی سنتی مانند مس، نقره و آلومینیوم است. علاوه بر این، مواد کربنی همچنین دارای خواص عالی مانند چگالی کم، ضریب انبساط حرارتی کم و خواص مکانیکی خوب در دمای بالا هستند.
گرافن
گرافن یک ماده سطحی اتم کربن تک لایه است که از گرافیت جدا شده است. این ماده دارای یک ساختار صفحه‌ای دو بعدی به شکل لانه زنبوری است که از اتم‌های کربن تک لایه تشکیل شده است که به صورت شش ضلعی‌های منظم و محکم چیده شده‌اند. این ساختار بسیار پایدار است. اتصال بین اتم‌های کربن درون گرافن بسیار انعطاف‌پذیر است. هنگامی که نیروی خارجی به گرافن اعمال می‌شود، سطح اتم کربن خم شده و تغییر شکل می‌دهد، به طوری که اتم‌های کربن برای تطبیق با نیروی خارجی مجبور به تنظیم مجدد نیستند و در نتیجه پایداری ساختاری را حفظ می‌کنند. این ساختار شبکه‌ای پایدار به گرافن رسانایی حرارتی عالی می‌دهد.
نانولوله‌های کربنی
از زمان کشف نانولوله‌های کربنی در سال ۱۹۹۱، این ماده مورد توجه بوده و بسیاری از دانشمندان را برای مطالعه رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی جذب کرده است. نانولوله‌های کربنی از ورق‌های گرافیتی تک لایه یا چند لایه که به هم پیچیده شده‌اند ساخته شده‌اند و به سه نوع تقسیم می‌شوند: تک دیواره، دو دیواره و چند دیواره.
این ساختار ویژه به نانولوله‌های کربنی رسانایی حرارتی بسیار بالایی می‌دهد. برخی از محققان محاسبه کرده‌اند که رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی تک جداره در دمای اتاق ۳۹۸۰ وات بر (m·K)، رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی دو جداره ۳۵۸۰ وات بر (m·K) و رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی چند جداره ۲۸۶۰ وات بر (m·K) است.
الماس
ساختار بلوری الماس، چیدمانی نزدیک از اتم‌های کربن در چهاروجهی‌ها است و همه الکترون‌ها در پیوند شرکت می‌کنند. بنابراین، رسانایی حرارتی دمای اتاق آن به اندازه ۲۰۰۰ تا ۲۱۰۰ وات بر (m·K) است که یکی از مواد با بهترین رسانایی حرارتی در طبیعت است. این ویژگی، آن را در زمینه اتلاف حرارت بالا غیرقابل جایگزین می‌کند.
فیبر کربن
فیبر کربن با کربنیزاسیون در دمای بالا برای تشکیل یک ساختار گرافیت توربواستراتیک عمل می‌کند. اگر شبکه گرافیت محوری آن بسیار جهت‌دار باشد، می‌تواند به رسانایی حرارتی فوق العاده بالایی دست یابد. برای مثال، رسانایی حرارتی الیاف کربن مبتنی بر قیر مزوفاز 1100 وات بر (m·K) است و رسانایی حرارتی الیاف کربن رشد یافته در بخار می‌تواند به 1950 وات بر (m·K) برسد.
گرافیت
گرافیت دارای ساختار کریستالی شش ضلعی است که از شش وجه و دو صفحه پایه فشرده تشکیل شده است. لایه اول شبکه شش ضلعی اتم‌های کربن به اندازه 1/2 خط مورب شش ضلعی نامنظم است و به موازات لایه دوم همپوشانی دارد. لایه سوم و لایه اول در موقعیت خود تکرار می‌شوند و یک توالی ABAB… را تشکیل می‌دهند. رسانایی حرارتی گرافیت طبیعی در امتداد صفحه کریستالی (002) 2200 وات بر (m·K) است و رسانایی حرارتی درون صفحه‌ای گرافیت پیرولیتیک با جهت‌گیری بالا نیز می‌تواند به 2000 وات بر (m·K) برسد.
مواد کربنی فوق همگی رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارند، بنابراین در زمینه الزامات اتلاف حرارت بالا توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. در ادامه، نگاهی به چندین ماده رسانا/هدردهنده گرما مبتنی بر کربن کلاسیک می‌اندازیم.
مواد کربنی، با ساختار کریستالی منحصر به فرد و خواص فیزیکی و شیمیایی خود، مزایای غیرقابل جایگزینی را در زمینه رسانایی حرارتی و اتلاف گرما نشان داده‌اند. با پیشرفت فناوری آماده‌سازی و گسترش سناریوهای کاربردی، انتظار می‌رود مواد مبتنی بر کربن مانند گرافن و الماس، راه‌حل‌های اتلاف گرما را در صنایعی مانند الکترونیک و هوافضا به سطح بالاتری ارتقا دهند.