Vantagens dos materiais de carbono na condutividade térmica e dissipação de calor

Nas actuais indústrias electrónica e optoelectrónica, à medida que os dispositivos electrónicos e os seus produtos se desenvolvem no sentido de uma elevada integração e de uma elevada computação, a potência dissipada duplicou. A dissipação de calor tornou-se gradualmente um factor-chave que restringe o desenvolvimento sustentável da indústria electrónica. Encontrar materiais de gestão de calor com excelente condutividade térmica é crucial para a próxima geração de circuitos integrados e projetos de produtos eletrónicos tridimensionais.

A condutividade térmica dos materiais cerâmicos tradicionais (como o nitreto de boro e o nitreto de alumínio) e dos materiais metálicos (como o cobre e o alumínio) é de apenas algumas centenas de W/(m·K), no máximo. Em comparação, a condutividade térmica dos materiais de carbono, como o diamante, a grafite, o grafeno, os nanotubos de carbono e a fibra de carbono, é ainda mais surpreendente. Por exemplo, o grafite tem uma condutividade térmica teórica de até 4180 W/m·k na direção paralela à camada cristalina, o que é quase 10 vezes superior à dos materiais metálicos tradicionais, como o cobre, a prata e o alumínio. Além disso, os materiais de carbono também apresentam excelentes propriedades, tais como baixa densidade, baixo coeficiente de expansão térmica e boas propriedades mecânicas a altas temperaturas.

Grafeno

O grafeno é um material de superfície de átomos de carbono de camada única, descamado da grafite. Possui uma estrutura plana bidimensional em forma de favo de mel, composta por átomos de carbono de camada única, firmemente dispostos em hexágonos regulares. A estrutura é muito estável. A ligação entre os átomos de carbono dentro do grafeno é muito flexível. Quando é aplicada uma força externa ao grafeno, a superfície do átomo de carbono curva-se e deforma-se, pelo que os átomos de carbono não têm de se reorganizar para se adaptarem à força externa, mantendo assim a estabilidade estrutural. Esta estrutura reticular estável confere ao grafeno uma excelente condutividade térmica.

Nanotubos de carbono

Desde a descoberta dos nanotubos de carbono em 1991, estes têm sido um foco de atenção, atraindo muitos cientistas para o estudo da condutividade térmica dos nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono são feitos de folhas de grafite de camada única ou multicamadas enroladas, e dividem-se em três tipos: de parede simples, de parede dupla e de parede múltipla.

A estrutura especial confere aos nanotubos de carbono uma condutividade térmica extremamente elevada. Alguns investigadores calcularam que a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede simples à temperatura ambiente é de 3980 W/(m·K), a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede dupla é de 3580 W/(m·K) e a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede múltipla é de 2860 W/(m·K).

Diamante

A estrutura cristalina do diamante é um arranjo compacto de átomos de carbono nos tetraedros, e todos os eletrões participam na ligação. Assim sendo, a sua condutividade térmica à temperatura ambiente atinge os 2000~2100 W/(m·K), sendo um dos materiais com melhor condutividade térmica da natureza. Esta característica torna-a insubstituível no campo da dissipação de calor de alta qualidade.

Fibra de carbono

A fibra de carbono é tratada por carbonização a alta temperatura para formar uma estrutura de grafite turboestrática. Se a sua estrutura axial de grafite for altamente orientada, poderá atingir uma condutividade térmica ultra-elevada. Por exemplo, a condutividade térmica da fibra de carbono mesofásica à base de pez é de 1100 W/(m·K), e a condutividade térmica da fibra de carbono cultivada a vapor pode atingir 1950 W/(m·K).

Grafite

O grafite possui uma estrutura cristalina hexagonal, composta por seis facetas e dois planos basais compactados. A primeira camada da grelha hexagonal de átomos de carbono é escalonada por 1/2 da linha diagonal hexagonal e sobreposta paralelamente à segunda camada. A terceira camada e a primeira camada são repetidas na posição, formando uma sequência ABAB… A condutividade térmica da grafite natural ao longo do plano cristalino (002) é de 2200 W/(m·K), e a condutividade térmica no plano da grafite pirolítica altamente orientada pode também atingir 2000 W/(m·K).

Todos os materiais de carbono mencionados possuem uma condutividade térmica extremamente elevada, o que os levou a atrair muita atenção no campo dos requisitos de elevada dissipação de calor. A seguir, vamos analisar vários materiais clássicos de condução/dissipação de calor à base de carbono.

Os materiais de carbono, com a sua estrutura cristalina única e propriedades físicas e químicas, demonstraram vantagens insubstituíveis no campo da condutividade térmica e da dissipação de calor. Com o avanço da tecnologia de preparação e a expansão dos cenários de aplicação, espera-se que os materiais à base de carbono, como o grafeno e o diamante, promovam soluções de dissipação de calor em indústrias como a eletrónica e a aeroespacial a um nível superior.