Ако някога сте държали смартфон, който остава забележимо по-хладен от по-нов модел по време на едночасова сесия за игра, или лаптоп за игри, който не звучи като реактивен двигател, излитащ по средата на мача, вероятно сте се възползвали от графитен филм – един от най-универсалните материали за управление на топлината на пазара. Като доставчик на графитно фолио, постоянно ми задават този въпрос от инженери, продуктови дизайнери и дори любопитни любители: Как точно този тънък, гъвкав лист от въглерод провежда топлина толкова по-добре от почти всеки друг обикновен материал? Това не е магия, разбира се - това е чиста наука за въглерода и след като я разбиете, има идеален смисъл. Нека да разгледаме молекулярната структура, физиката на термичния трансфер и защо графитното фолио се е превърнало в основното решение за всичко - от EV батерии до слушалки от висок клас.
Първо, нека започнем с това какво всъщност представлява графитът, защото там живее цялата магия на топлопроводимостта. Повечето хора познават графита като нещо в оловото за молив, но това е силно пресована смес от графитна глина и свързващи вещества, а не чистият, високо подреден графит, използван за термични приложения. Истинският графит е форма на въглерод, който естествено се подрежда в шестоъгълна решетка от пчелна пита, като лист пилешка тел, като всеки въглероден атом е здраво свързан с три съседни въглеродни атома. Това се нарича графенов слой - лист въглерод с дебелина от един атом, който вече е един от най-добрите топлопроводници, познати на човека. Когато подреждате милиони от тези графенови слоеве един върху друг, със слаби сили на Ван дер Ваалс, които ги държат заедно, получавате обемен графит. Но за термична употреба ние вземаме тази естествена структура и я усъвършенстваме, за да създадем различни видове графитен филм, всеки от които е пригоден за конкретни случаи на употреба. Например нашатаНанографитен филме направен от по-малки, по-равномерни графенови люспи, което му придава изключителна топлопроводимост в равнината, като същевременно остава достатъчно тънък и гъвкав, за да се побере в тесни пространства.
Сега ключът към топлопроводимата суперсила на графита се крие в тази шестоъгълна решетка и как топлината се движи през нея. Топлината е по същество вибрацията на атомите и молекулите - когато даден материал се затопли, неговите атоми се клатят по-бързо и тази енергия трябва да се прехвърли към съседните атоми, за да се разпространи. В повечето материали този трансфер е бавен, защото атомните връзки са неправилни или разхвърляни, което създава „точки на разсейване“, където се губи енергията на вибрациите. Вземете например металите: медта е добър проводник, но нейната атомна структура не е идеално еднаква, така че част от топлинната енергия се разсейва като електрическо съпротивление или звукови вълни, вместо да се движи през материала. Структурата на Graphite в равнината обаче е почти идеално подредена. Тези силни ковалентни въглерод-въглеродни връзки в графеновите слоеве означават, че вибрациите (наречени фонони за любителите на физиката) се движат почти безпрепятствено по равнината на графитния лист. Това е като магистрала без знаци за спиране или светофари - топлината може да се движи по посока в равнината със скорости до 2000 W/m·K, което е много по-високо от приблизително 401 W/m·K на медта. Ето защо графитното фолио е толкова ефективно за равномерното разпространение на топлината по повърхността, вместо да я оставя да се събира в горещи точки.
Ето къде става още по-интересно: топлопроводимостта на графита е силно анизотропна, което е изискан начин да се каже, че той провежда топлината много добре в едната посока, но зле в другата. Посоката в равнината (покрай графеновите слоеве) е мястото, където се случва цялото движение на фононите, но посоката през равнината (перпендикулярно на слоевете) е мястото, където слабите сили на Ван дер Ваалс държат графеновите листове заедно и тези сили са много по-слаби, така че фононите се разпръскват постоянно. Това означава, че топлината не се движи лесно вертикално през лист графитен филм, което всъщност е характеристика, а не грешка. За повечето приложения искате да изтеглите топлината от малка гореща точка (като процесор на телефон) и да я разпръснете върху голяма повърхност, за да я разсеете, вместо да я оставите да потъне право надолу във вътрешността на устройството. НашитеТоплоразсейващо графитено фолиое проектиран да усилва този анизотропен ефект, с 5:1 или по-високо съотношение на проводимост в равнината към равнината, което го прави идеален за тънки устройства, където пространството е на първо място.
Разбира се, не всички графитни филми са еднакви. През годините ние разработихме специализирани варианти, за да отговорим на уникалните нужди на различни индустрии, като всеки се основава на тази основна структура на графенова решетка. За приложения, които изискват както висока топлопроводимост, така и механична стабилност, нашитеКомпозитен графитен филмсъчетава чист графит с малки количества полимерни или керамични пълнители, които добавят издръжливост и устойчивост на огъване, без да се жертва преносът на топлина. Това е идеално за сгъваеми смартфони, където гъвкавият екран се нуждае от термично решение, което няма да се напука или разслои след хиляди сгъвания. За приложения с по-висока мощност, като акумулаторни пакети за електрически превозни средства или сървърни процесори, ние създадохме нашитеМногослоен композитен графитен филм, който подрежда множество графитни слоеве с тънко лепило между тях. Лепилото е проектирано да не блокира преноса на фонони, така че получавате комбинираната висока проводимост на множество слоеве без загубата на топлина, която бихте очаквали от обикновено лепило.
Често ме питат защо използваме графитено фолио вместо обикновена графитна хартия или насипен графит. Разликата се свежда до размера на зърното и подравняването. Когато обработвате графит в тънък филм, можете да подравните графеновите слоеве идеално по време на производството, което максимизира тази топлопроводимост в равнината. Ако просто натиснете насипен графит в лист, графеновите слоеве са произволно ориентирани, така че преносът на топлина е много по-неравномерен. НашитеГрафитен тънък филм, например, е с дебелина само няколко микрона, с графенови слоеве, подравнени до 0,5 градуса един от друг, което му придава проводимост в равнината от над 1800 W/m·K – почти толкова висока, колкото самия чист, синтетичен графен. Това е вида производителност, от която се нуждаете за графични карти от висок клас, където дори 10% спад в топлопроводимостта може да доведе до дроселиране и намалена производителност.
Нека поговорим за пример от реалния свят, за да направим това конкретно. Преди няколко месеца работихме със стартираща компания, която разработваше компактно преносимо зарядно устройство с 45W чип за бързо зареждане. Оригиналният дизайн използва меден радиатор, но той беше твърде обемист и зарядното устройство се нагорещи толкова много, че беше неудобно да се държи. Когато смениха нашия разсейващ топлината графитен филм, те успяха да намалят размера на радиатора с 60% и да намалят температурата на повърхността на устройството с 12 градуса по Целзий. защо Медта разпространява топлина само на няколко милиметра от чипа, но графитният филм разпространява същата топлина по цялата горна повърхност на зарядното устройство, където може да се разсее във въздуха по-бързо. Точно това действа анизотропното свойство – топлината се движи покрай графита, а не през него, така че е разпръсната вместо концентрирана.
Друг често срещан въпрос: как се сравнява графитното фолио с други топлинни материали като термична паста, материали с фазова промяна или топлинни тръби? Термичната паста работи, като запълва празнините между две повърхности, но има само умерена проводимост (около 8 W/m·K) и може да изсъхне с течение на времето, губейки ефективност. Топлинните тръби са чудесни за приложения с висока мощност, но са обемисти, чупливи и не могат да се използват в много малки пространства като смарт часовници или безжични слушалки. Графитният филм е тънък, гъвкав, лек и има много по-висока проводимост от пастата. Единственият недостатък е, че не е толкова добър в преноса на топлина през празнина, така че обикновено го комбинирате с малко количество термично лепило, за да направите пълен термоинтерфейсен материал (TIM).
Сега нека преминем към производствената страна, защото там преработваме графита от неговата сурова форма във филм с висока производителност, на който нашите клиенти разчитат. Процесът започва или със синтетичен полиакрилонитрил (PAN), или с естествени графитни люспи. Ние пречистваме суровината, за да премахнем примеси като сяра и метални йони, които биха създали точки на разсейване за фонони и биха намалили проводимостта. След това разширяваме графита при високи температури, което разделя графеновите слоеве. След това обработваме експандирания графит в суспензия, изливаме го на тънки листове и го компресираме под високо налягане, за да подравним графеновите слоеве. За нашия нанографитен филм използваме по-малки, по-равномерни люспи, за да постигнем още по-добро подравняване, докато нашият многослоен филм добавя вторична стъпка на компресия, за да гарантира, че слоевете са перфектно подредени. Всяка партида се тества за топлопроводимост, дебелина и гъвкавост, за да сме сигурни, че отговаря на нашите строги стандарти.
Като доставчик на графитно фолио видях как този материал се е развил през последното десетилетие. Преди десет години графитното фолио се използваше най-вече в смартфони и малка потребителска електроника, но сега се използва във всичко - от управление на топлината на батерията на EV до LED осветление, медицински устройства като MRI машини и дори сателитни компоненти. Търсенето на по-добри, по-малки и по-леки топлинни решения само ще расте, тъй като устройствата стават по-мощни и по-тънки, а графитното фолио е идеално позиционирано да отговори на това търсене.
Ако сте инженер или продуктов дизайнер, който работи по проект, който се нуждае от по-добра топлинна ефективност, насърчавам ви да се свържете с нашия екип, за да обсъдим вашите специфични нужди. Независимо дали имате нужда от тънък филм за сгъваемо устройство, многослоен композит за батерия с висока мощност или лист с персонализиран размер за медицинско приложение, ние можем да ви помогнем да намерите правилното решение за графитен филм. Ние работим с клиенти от различни индустрии и винаги сме щастливи да тестваме пробни партиди, за да сме сигурни, че нашият филм отговаря на вашите изисквания. Не се колебайте да се свържете с нашия екип, за да започнете следващия си проект за управление на топлината – ние сме тук, за да ви помогнем да създадете продукти, които работят по-хладно, издържат по-дълго и работят по-добре.
Референции
- Баландин, АА (2011). Топлинни свойства на графен и наноструктурирани въглеродни материали.Природни материали, 10 (8), 569-581.
- Zhang, Y., et al. (2018). Анизотропна топлопроводимост на силно ориентирани графитни филми.въглерод, 134, 242-250.
- Moore, AL, & Shi, L. (2014). Нововъзникващи предизвикателства и материали за термично управление на електрониката.Материали днес, 17(4), 163-174.
- Liu, J., et al. (2020 г.). Композитни графитни филми за приложения за управление на топлината: преглед.Journal of Materials Science: Материали в електрониката, 31 (24), 21357-21378.
