ข้อดีของวัสดุคาร์บอนในด้านการนำความร้อนและการกระจายความร้อน

ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และผลิตภัณฑ์ของอุปกรณ์เหล่านี้พัฒนาไปสู่การผสานรวมและการคำนวณขั้นสูง พลังงานที่สูญเสียไปจึงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า การกระจายความร้อนได้กลายมาเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาอย่างยั่งยืนของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การค้นหาวัสดุจัดการความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวงจรรวมรุ่นต่อไปและการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สามมิติ

ค่าการนำความร้อนของวัสดุเซรามิกแบบดั้งเดิม (เช่น โบรอนไนไตรด์ อะลูมิเนียมไนไตรด์) และวัสดุโลหะ (เช่น ทองแดง อะลูมิเนียม) อยู่ที่เพียงไม่กี่ร้อย W/(m·K) เท่านั้น เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ค่าการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอน เช่น เพชร กราไฟท์ กราฟีน นาโนทิวบ์คาร์บอน และคาร์บอนไฟเบอร์นั้นน่าทึ่งยิ่งกว่า ตัวอย่างเช่น กราไฟท์มีค่าการนำความร้อนทางทฤษฎีสูงถึง 4180 W/mk ในทิศทางขนานกับชั้นผลึก ซึ่งเกือบ 10 เท่าของวัสดุโลหะแบบดั้งเดิม เช่น ทองแดง เงิน และอะลูมิเนียม นอกจากนี้ วัสดุคาร์บอนยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความหนาแน่นต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และคุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูงที่ดี

กราฟีน

กราฟีนเป็นวัสดุพื้นผิวอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่ลอกออกจากกราไฟต์ มีโครงสร้างระนาบสองมิติรูปรังผึ้งที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่เรียงกันแน่นเป็นรูปหกเหลี่ยมปกติ โครงสร้างมีความเสถียรมาก การเชื่อมต่อระหว่างอะตอมคาร์บอนภายในกราฟีนมีความยืดหยุ่นมาก เมื่อแรงภายนอกกระทำกับกราฟีน พื้นผิวอะตอมคาร์บอนจะโค้งงอและเสียรูป ทำให้อะตอมคาร์บอนไม่ต้องเรียงตัวใหม่เพื่อปรับตัวให้เข้ากับแรงภายนอก จึงรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างไว้ได้ โครงสร้างโครงตาข่ายที่เสถียรนี้ทำให้กราฟีนมีการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม

นาโนท่อคาร์บอน

นับตั้งแต่มีการค้นพบนาโนท่อคาร์บอนในปี 1991 นาโนท่อคาร์บอนก็กลายเป็นจุดสนใจ ทำให้มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากสนใจศึกษาการนำความร้อนของนาโนท่อคาร์บอน คาร์บอนนาโนทิวบ์ทำจากแผ่นกราไฟต์ชั้นเดียวหรือหลายชั้นที่ม้วนงอ และแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ผนังเดียว ผนังคู่ และผนังหลายชั้น

โครงสร้างพิเศษทำให้คาร์บอนนาโนทิวบ์มีค่าการนำความร้อนสูงมาก นักวิจัยบางคนคำนวณได้ว่าคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังเดี่ยวมีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้อง 3980 W/(m·K) ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังคู่คือ 3580 W/(m·K) และค่าการนำความร้อนของคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังหลายชั้นคือ 2860 W/(m·K)

เพชร

โครงสร้างผลึกของเพชรประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันอย่างแน่นหนาในรูปทรงสี่หน้า และอิเล็กตรอนทั้งหมดมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะ ดังนั้น ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องจึงสูงถึง 2000~2100 W/(m·K) ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีที่สุดในธรรมชาติ คุณลักษณะนี้ทำให้ไม่สามารถแทนที่ได้ในด้านการกระจายความร้อนระดับสูง

คาร์บอนไฟเบอร์

คาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการบำบัดด้วยคาร์บอนไนเซชันอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างโครงสร้างกราไฟต์เทอร์โบสตราติก หากโครงตาข่ายกราไฟต์แนวแกนมีการวางแนวสูง ก็สามารถบรรลุการนำความร้อนที่สูงมากได้ ตัวอย่างเช่น การนำความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์แบบเมโซเฟสพิทช์คือ 1100 W/(m·K) และการนำความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ปลูกด้วยไอสามารถถึง 1950 W/(m·K)

กราไฟต์

กราไฟต์มีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม ประกอบด้วยเหลี่ยม 6 เหลี่ยมและระนาบฐานที่อัดแน่น 2 ระนาบ ชั้นแรกของกริดหกเหลี่ยมของอะตอมคาร์บอนจะเหลื่อมซ้อนกัน 1/2 ของเส้นทแยงมุมหกเหลี่ยมและทับซ้อนกันขนานกับชั้นที่สอง ชั้นที่สามและชั้นแรกจะทำซ้ำในตำแหน่งที่สร้างลำดับ ABAB… ค่าการนำความร้อนของกราไฟต์ธรรมชาติตามระนาบผลึก (002) คือ 2200 W/(m·K) และค่าการนำความร้อนในระนาบของกราไฟต์ไพโรไลติกที่มีการวางแนวสูงสามารถไปถึง 2000 W/(m·K) ได้เช่นกัน

วัสดุคาร์บอนที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมดมีค่าการนำความร้อนสูงมาก จึงดึงดูดความสนใจอย่างมากในด้านความต้องการการกระจายความร้อนสูง ต่อไปนี้ มาดูวัสดุนำความร้อน/กระจายความร้อนที่ทำจากคาร์บอนแบบคลาสสิกหลายๆ ชนิดกัน

วัสดุคาร์บอนซึ่งมีโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ทดแทนไม่ได้ในด้านการนำความร้อนและการกระจายความร้อน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเตรียมและการขยายสถานการณ์การใช้งาน คาดว่าวัสดุที่ทำจากคาร์บอน เช่น กราฟีนและเพชรจะส่งเสริมโซลูชันการกระจายความร้อนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์และอวกาศไปสู่อีกระดับหนึ่ง