Преимущества углеродных материалов по теплопроводности и теплоотдаче

В современных отраслях электроники и оптоэлектроники, поскольку электронные устройства и их продукты развиваются в направлении высокой интеграции и высокой вычислительной мощности, рассеиваемая мощность удвоилась. Рассеивание тепла постепенно стало ключевым фактором, ограничивающим устойчивое развитие электронной промышленности. Поиск материалов для управления теплом с превосходной теплопроводностью имеет решающее значение для следующего поколения интегральных схем и трехмерных электронных конструкций продуктов.

Теплопроводность традиционных керамических материалов (таких как нитрид бора, нитрид алюминия) и металлических материалов (таких как медь, алюминий) составляет всего несколько сотен Вт/(м·К) максимум. Для сравнения, теплопроводность углеродных материалов, таких как алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки и углеродное волокно, еще более удивительна. Например, графит имеет теоретическую теплопроводность до 4180 Вт/мК в направлении, параллельном кристаллическому слою, что почти в 10 раз больше, чем у традиционных металлических материалов, таких как медь, серебро и алюминий. Кроме того, углеродные материалы также обладают превосходными свойствами, такими как низкая плотность, низкий коэффициент теплового расширения и хорошие механические свойства при высоких температурах.

Графен

Графен — это однослойный поверхностный материал атомов углерода, отслаивающийся от графита. Он имеет двумерную плоскую структуру в форме сот, состоящую из однослойных атомов углерода, плотно расположенных в правильных шестиугольниках. Структура очень стабильна. Связь между атомами углерода внутри графена очень гибкая. Когда к графену прикладывается внешняя сила, поверхность атомов углерода изгибается и деформируется, так что атомам углерода не приходится перестраиваться, чтобы приспособиться к внешней силе, тем самым сохраняя структурную стабильность. Эта стабильная структура решетки придает графену превосходную теплопроводность.

Углеродные нанотрубки

С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году они стали объектом внимания многих ученых, изучающих теплопроводность углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки состоят из однослойных или многослойных графитовых листов, скрученных в спираль, и делятся на три типа: однослойные, двухслойные и многослойные.

Специальная структура придает углеродным нанотрубкам чрезвычайно высокую теплопроводность. Некоторые исследователи подсчитали, что теплопроводность однослойных углеродных нанотрубок при комнатной температуре составляет 3980 Вт/(м·К), теплопроводность двухслойных углеродных нанотрубок — 3580 Вт/(м·К), а теплопроводность многослойных углеродных нанотрубок — 2860 Вт/(м·К).

Алмаз

Кристаллическая структура алмаза представляет собой тесное расположение атомов углерода в тетраэдрах, и все электроны участвуют в связывании. Поэтому его теплопроводность при комнатной температуре достигает 2000~2100 Вт/(м·К), что является одним из материалов с лучшей теплопроводностью в природе. Эта особенность делает его незаменимым в области высококачественного рассеивания тепла.

Углеродное волокно

Углеродное волокно обрабатывается высокотемпературной карбонизацией для формирования турбостратной графитовой структуры. Если его аксиальная графитовая решетка высокоориентирована, оно может достичь сверхвысокой теплопроводности. Например, теплопроводность мезофазного пека на основе углеродного волокна составляет 1100 Вт/(м·К), а теплопроводность выращенного в паровой фазе углеродного волокна может достигать 1950 Вт/(м·К).

Графит

Графит имеет гексагональную кристаллическую структуру, состоящую из шести граней и двух плотноупакованных базальных плоскостей. Первый слой гексагональной сетки атомов углерода смещен на 1/2 гексагональной диагональной линии и перекрывается параллельно со вторым слоем. Третий слой и первый слой повторяются в положении, образуя последовательность ABAB… Теплопроводность природного графита вдоль кристаллической плоскости (002) составляет 2200 Вт/(м·К), а теплопроводность в плоскости высокоориентированного пиролитического графита также может достигать 2000 Вт/(м·К).

Все вышеперечисленные углеродные материалы обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью, поэтому они привлекли большое внимание в области высоких требований к рассеиванию тепла. Далее рассмотрим несколько классических углеродных проводящих/теплорассеивающих материалов.

Углеродные материалы с их уникальной кристаллической структурой и физико-химическими свойствами продемонстрировали незаменимые преимущества в области теплопроводности и теплоотвода. С развитием технологий подготовки и расширением сфер применения ожидается, что углеродные материалы, такие как графен и алмаз, будут продвигать решения по теплоотводу в таких отраслях, как электроника и аэрокосмическая промышленность, на более высокий уровень.