Karbon malzemelerin ısı iletkenliği ve ısı dağılımındaki avantajları

Günümüz elektronik ve optoelektronik endüstrilerinde, elektronik cihazlar ve ürünleri yüksek entegrasyon ve yüksek bilgi işleme doğru geliştikçe, dağıtılan güç iki katına çıkmıştır. Isı dağılımı, elektronik endüstrisinin sürdürülebilir gelişimini kısıtlayan önemli bir faktör haline gelmiştir. Mükemmel termal iletkenliğe sahip ısı yönetimi malzemeleri bulmak, yeni nesil entegre devreler ve üç boyutlu elektronik ürün tasarımları için hayati önem taşımaktadır.

Geleneksel seramik malzemelerin (bor nitrür, alüminyum nitrür gibi) ve metal malzemelerin (bakır, alüminyum gibi) termal iletkenliği en fazla birkaç yüz W/(m·K)’dir. Karşılaştırıldığında, elmas, grafit, grafen, karbon nanotüpler ve karbon fiber gibi karbon malzemelerin termal iletkenliği daha da şaşırtıcıdır. Örneğin, grafitin kristal tabakasına paralel yönde teorik termal iletkenliği 4180W/mk’ye kadar çıkar ki bu, bakır, gümüş ve alüminyum gibi geleneksel metal malzemelerin neredeyse 10 katıdır. Ek olarak, karbon malzemeler düşük yoğunluk, düşük termal genleşme katsayısı ve iyi yüksek sıcaklık mekanik özellikleri gibi mükemmel özelliklere de sahiptir.

Grafen

Grafen, grafitten soyulmuş tek katmanlı bir karbon atomu yüzey malzemesidir. Düzenli altıgenler halinde sıkıca düzenlenmiş tek katmanlı karbon atomlarından oluşan petek şeklinde iki boyutlu bir düzlem yapısına sahiptir. Yapı çok kararlıdır. Grafen içindeki karbon atomları arasındaki bağlantı çok esnektir. Grafene dış kuvvet uygulandığında, karbon atomu yüzeyi bükülecek ve deforme olacaktır, böylece karbon atomları dış kuvvete uyum sağlamak için yeniden düzenlenmek zorunda kalmayacak ve böylece yapısal kararlılığı koruyacaktır. Bu kararlı kafes yapısı grafene mükemmel termal iletkenlik kazandırır.

Karbon nanotüpleri

1991’de karbon nanotüplerinin keşfedilmesinden bu yana, birçok bilim insanının karbon nanotüplerinin termal iletkenliğini incelemesine odaklanmıştır. Karbon nanotüpler, kıvrılmış tek katmanlı veya çok katmanlı grafit tabakalarından oluşur ve üç türe ayrılır: tek duvarlı, çift duvarlı ve çok duvarlı.

Özel yapı, karbon nanotüplere son derece yüksek termal iletkenlik kazandırır. Bazı araştırmacılar, tek duvarlı karbon nanotüplerin oda sıcaklığındaki termal iletkenliğinin 3980 W/(m·K), çift duvarlı karbon nanotüplerin termal iletkenliğinin 3580 W/(m·K) ve çok duvarlı karbon nanotüplerin termal iletkenliğinin 2860 W/(m·K) olduğunu hesaplamıştır.

Elmas

Elmas’ın kristal yapısı, tetrahedronlar halinde karbon atomlarının yakın bir şekilde düzenlenmesidir ve tüm elektronlar bağlanmaya katılır. Bu nedenle, oda sıcaklığındaki termal iletkenliği 2000~2100 W/(m·K) kadar yüksektir ve doğadaki en iyi termal iletkenliğe sahip malzemelerden biridir. Bu özellik, onu yüksek kaliteli ısı dağılımı alanında vazgeçilmez kılar.

Karbon fiber

Karbon fiber, turbostratik grafit yapısı oluşturmak için yüksek sıcaklıkta karbonizasyonla işlenir. Eksenel grafit kafesi oldukça yönlendirilmişse, ultra yüksek termal iletkenliğe ulaşabilir. Örneğin, mezofaz zift bazlı karbon fiberin termal iletkenliği 1100 W/(m·K)’dir ve buharla büyütülmüş karbon fiberin termal iletkenliği 1950 W/(m·K)’ye ulaşabilir.

Grafit

Grafit, altı fasetten ve iki sıkı paketlenmiş bazal düzlemden oluşan altıgen bir kristal yapıya sahiptir. Karbon atomlarının altıgen ızgarasının ilk katmanı, altıgen diyagonal çizginin 1/2’si kadar kademelidir ve ikinci katmanla paralel olarak üst üste bindirilir. Üçüncü katman ve ilk katman, bir ABAB… dizisi oluşturarak konumlarında tekrarlanır. Doğal grafitin (002) kristal düzlemi boyunca termal iletkenliği 2200 W/(m·K)’dir ve yüksek yönlendirilmiş pirolitik grafitin düzlem içi termal iletkenliği de 2000 W/(m·K)’ye ulaşabilir.

Yukarıdaki karbon malzemelerin hepsi son derece yüksek termal iletkenliğe sahiptir, bu nedenle yüksek ısı dağılımı gereksinimleri alanında çok dikkat çekmişlerdir. Şimdi, birkaç klasik karbon bazlı iletken/ısı dağıtıcı malzemeye bakalım.

Benzersiz kristal yapıları ve fiziksel ve kimyasal özellikleriyle karbon malzemeler, termal iletkenlik ve ısı dağılımı alanında yeri doldurulamaz avantajlar göstermiştir. Hazırlama teknolojisinin ilerlemesi ve uygulama senaryolarının genişlemesiyle, grafen ve elmas gibi karbon bazlı malzemelerin elektronik ve havacılık gibi endüstrilerde ısı dağılımı çözümlerini daha yüksek bir seviyeye taşıması beklenmektedir.