Ưu điểm của vật liệu carbon trong dẫn nhiệt và tản nhiệt
Trong ngành công nghiệp điện tử và quang điện tử hiện nay, khi các thiết bị điện tử và sản phẩm của chúng phát triển theo hướng tích hợp cao và tính toán cao, công suất tiêu tán đã tăng gấp đôi. Tản nhiệt dần trở thành yếu tố chính hạn chế sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp điện tử. Việc tìm kiếm vật liệu quản lý nhiệt có độ dẫn nhiệt tuyệt vời là rất quan trọng đối với thế hệ mạch tích hợp và thiết kế sản phẩm điện tử ba chiều tiếp theo.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm truyền thống (như bo nitrua, nhôm nitrua) và vật liệu kim loại (như đồng, nhôm) chỉ tối đa là vài trăm W/(m·K). So sánh với vật liệu carbon như kim cương, than chì, graphene, ống nano carbon và sợi carbon thậm chí còn tuyệt vời hơn. Ví dụ, than chì có độ dẫn nhiệt lý thuyết lên tới 4180W/mk theo hướng song song với lớp tinh thể, cao hơn gần 10 lần so với vật liệu kim loại truyền thống như đồng, bạc và nhôm. Ngoài ra, vật liệu carbon còn có các đặc tính tuyệt vời như mật độ thấp, hệ số giãn nở nhiệt thấp và tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ cao.
Graphene
Graphene là vật liệu bề mặt nguyên tử carbon một lớp được tách ra từ than chì. Nó có cấu trúc mặt phẳng hai chiều hình tổ ong bao gồm các nguyên tử carbon một lớp được sắp xếp chặt chẽ theo hình lục giác đều. Cấu trúc này rất ổn định. Sự kết nối giữa các nguyên tử carbon bên trong graphene rất linh hoạt. Khi lực bên ngoài tác dụng vào graphene, bề mặt nguyên tử carbon sẽ uốn cong và biến dạng, do đó các nguyên tử carbon không phải sắp xếp lại để thích ứng với lực bên ngoài, do đó duy trì được tính ổn định của cấu trúc. Cấu trúc mạng ổn định này mang lại cho graphene khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời.
Ống nano carbon
Kể từ khi phát hiện ra ống nano carbon vào năm 1991, nó đã trở thành trọng tâm, thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng dẫn nhiệt của ống nano carbon. Ống nano carbon được tạo thành từ các tấm than chì một lớp hoặc nhiều lớp cuộn tròn lại và được chia thành ba loại: một lớp, hai lớp và nhiều lớp.
Cấu trúc đặc biệt mang lại cho ống nano carbon khả năng dẫn nhiệt cực cao. Một số nhà nghiên cứu đã tính toán rằng độ dẫn nhiệt của ống nano carbon đơn lớp ở nhiệt độ phòng là 3980 W/(m·K), độ dẫn nhiệt của ống nano carbon đôi lớp là 3580 W/(m·K) và độ dẫn nhiệt của ống nano carbon đa lớp là 2860 W/(m·K).
Kim cương
Cấu trúc tinh thể của kim cương là sự sắp xếp chặt chẽ các nguyên tử carbon trong tứ diện và tất cả các electron đều tham gia vào liên kết. Do đó, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của nó cao tới 2000~2100 W/(m·K), đây là một trong những vật liệu có độ dẫn nhiệt tốt nhất trong tự nhiên. Đặc điểm này khiến nó trở nên không thể thay thế trong lĩnh vực tản nhiệt cao cấp.
Sợi carbon
Sợi carbon được xử lý bằng quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao để tạo thành cấu trúc than chì turbostratic. Nếu mạng than chì trục của nó được định hướng cao, nó có thể đạt được độ dẫn nhiệt cực cao. Ví dụ, độ dẫn nhiệt của sợi carbon mesophase dựa trên pitch là 1100 W/(m·K), và độ dẫn nhiệt của sợi carbon phát triển bằng hơi có thể đạt tới 1950 W/(m·K).
Graphite
Graphite có cấu trúc tinh thể lục giác, bao gồm sáu mặt và hai mặt phẳng cơ sở đóng chặt. Lớp đầu tiên của lưới lục giác các nguyên tử carbon được so le bởi 1/2 đường chéo lục giác và chồng lên song song với lớp thứ hai. Lớp thứ ba và lớp đầu tiên được lặp lại ở vị trí, tạo thành chuỗi ABAB… Độ dẫn nhiệt của graphite tự nhiên dọc theo mặt phẳng tinh thể (002) là 2200 W/(m·K), và độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng của graphite nhiệt phân định hướng cao cũng có thể đạt tới 2000 W/(m·K).
Tất cả các vật liệu carbon trên đều có độ dẫn nhiệt cực cao, vì vậy chúng đã thu hút được nhiều sự chú ý trong lĩnh vực yêu cầu tản nhiệt cao. Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét một số vật liệu dẫn nhiệt/tản nhiệt gốc carbon cổ điển.
Vật liệu carbon, với cấu trúc tinh thể độc đáo và các tính chất vật lý và hóa học, đã chứng minh được những lợi thế không thể thay thế trong lĩnh vực dẫn nhiệt và tản nhiệt. Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo và sự mở rộng các kịch bản ứng dụng, các vật liệu gốc carbon như graphene và kim cương được kỳ vọng sẽ thúc đẩy các giải pháp tản nhiệt trong các ngành công nghiệp như điện tử và hàng không vũ trụ lên một tầm cao mới.