Keunggulan bahan karbon dalam konduktivitas termal dan pembuangan panas

Dalam industri elektronik dan optoelektronik saat ini, seiring dengan perkembangan perangkat elektronik dan produknya menuju integrasi tinggi dan komputasi tinggi, daya yang terbuang menjadi dua kali lipat. Disipasi panas secara bertahap menjadi faktor utama yang membatasi pembangunan berkelanjutan industri elektronik. Menemukan material manajemen panas dengan konduktivitas termal yang sangat baik sangat penting untuk sirkuit terpadu generasi berikutnya dan desain produk elektronik tiga dimensi.

Konduktivitas termal material keramik tradisional (seperti boron nitrida, aluminium nitrida) dan material logam (seperti tembaga, aluminium) paling banyak hanya beberapa ratus W/(m·K). Sebagai perbandingan, konduktivitas termal material karbon seperti berlian, grafit, grafena, karbon nanotube, dan serat karbon bahkan lebih menakjubkan. Misalnya, grafit memiliki konduktivitas termal teoritis hingga 4180W/mk dalam arah sejajar dengan lapisan kristal, yang hampir 10 kali lipat dari material logam tradisional seperti tembaga, perak, dan aluminium. Selain itu, material karbon juga memiliki sifat-sifat yang sangat baik seperti kepadatan rendah, koefisien ekspansi termal rendah, dan sifat mekanik suhu tinggi yang baik.

Grafena

Grafena adalah material permukaan atom karbon satu lapis yang terkelupas dari grafit. Ia memiliki struktur bidang dua dimensi berbentuk sarang lebah yang tersusun dari atom-atom karbon satu lapis yang tersusun rapat dalam segi enam beraturan. Strukturnya sangat stabil. Hubungan antara atom-atom karbon di dalam graphene sangat fleksibel. Ketika gaya eksternal diterapkan pada graphene, permukaan atom karbon akan membengkok dan berubah bentuk, sehingga atom-atom karbon tidak harus menata ulang untuk beradaptasi dengan gaya eksternal, sehingga mempertahankan stabilitas struktural. Struktur kisi yang stabil ini memberikan graphene konduktivitas termal yang sangat baik.

Karbon nanotube

Sejak ditemukannya karbon nanotube pada tahun 1991, ia telah menjadi fokus, menarik banyak ilmuwan untuk mempelajari konduktivitas termal karbon nanotube. Karbon nanotube terbuat dari lembaran grafit satu lapis atau banyak lapis yang digulung, dan dibagi menjadi tiga jenis: berdinding tunggal, berdinding ganda, dan berdinding banyak.

Struktur khusus ini memberikan karbon nanotube konduktivitas termal yang sangat tinggi. Beberapa peneliti telah menghitung bahwa konduktivitas termal karbon nanotube berdinding tunggal pada suhu ruangan adalah 3980 W/(m·K), konduktivitas termal karbon nanotube berdinding ganda adalah 3580 W/(m·K), dan konduktivitas termal karbon nanotube berdinding banyak adalah 2860 W/(m·K).

Berlian

Struktur kristal berlian adalah susunan atom karbon yang rapat dalam tetrahedron, dan semua elektron berpartisipasi dalam ikatan. Oleh karena itu, konduktivitas termal suhu ruangannya setinggi 2000~2100 W/(m·K), yang merupakan salah satu bahan dengan konduktivitas termal terbaik di alam. Fitur ini membuatnya tak tergantikan di bidang pembuangan panas kelas atas.

Serat karbon

Serat karbon diolah dengan karbonisasi suhu tinggi untuk membentuk struktur grafit turbostratik. Jika kisi grafit aksialnya berorientasi tinggi, ia dapat mencapai konduktivitas termal yang sangat tinggi. Misalnya, konduktivitas termal serat karbon berbasis pitch mesofase adalah 1100 W/(m·K), dan konduktivitas termal serat karbon yang tumbuh dengan uap dapat mencapai 1950 W/(m·K).

Grafit

Grafit memiliki struktur kristal heksagonal, yang terdiri dari enam sisi dan dua bidang dasar yang rapat. Lapisan pertama kisi heksagonal atom karbon terhuyung-huyung sejauh 1/2 dari garis diagonal heksagonal dan tumpang tindih secara paralel dengan lapisan kedua. Lapisan ketiga dan lapisan pertama diulang pada posisinya, membentuk urutan ABAB… Konduktivitas termal grafit alami sepanjang bidang kristal (002) adalah 2200 W/(m·K), dan konduktivitas termal dalam bidang grafit pirolitik yang berorientasi tinggi juga dapat mencapai 2000 W/(m·K).

Semua material karbon di atas memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi, sehingga telah menarik banyak perhatian di bidang persyaratan pembuangan panas yang tinggi. Selanjutnya, mari kita lihat beberapa material konduktif/pembuang panas berbasis karbon klasik.

Material karbon, dengan struktur kristal dan sifat fisik dan kimianya yang unik, telah menunjukkan keunggulan yang tak tergantikan di bidang konduktivitas termal dan pembuangan panas. Dengan kemajuan teknologi persiapan dan perluasan skenario aplikasi, material berbasis karbon seperti grafena dan berlian diharapkan dapat meningkatkan solusi pembuangan panas dalam industri seperti elektronik dan kedirgantaraan ke tingkat yang lebih tinggi.