Spoznajte ogljikove materiale z visoko toplotno prevodnostjo
Prejšnji kovinski hladilniki (aluminij, baker) težko zadostijo potrebam po odvajanju toplote zaradi težav z visoko gostoto, visokim koeficientom toplotnega raztezanja in nečistimi materiali. S hitrim razvojem znanosti in tehnologije letalstvo, satelitske komunikacije, hitri računalniki in druga področja posvečajo vse več pozornosti vprašanjem odvajanja toplote, postavljajo pa se višje zahteve za materiale za toplotno upravljanje.
Zaradi svoje nizke gostote, visoke trdnosti, visoke toplotne prevodnosti in kemične odpornosti naj bi ogljikovi materiali nadomestili prejšnje kovinske materiale in postali nova generacija materialov z visoko toplotno prevodnostjo.
Toplotna prevodnost ogljikovih materialov se v glavnem izvaja s toplotnimi vibracijami atomov rešetke. Vrsta ogljikovih vlaken, vrsta matrice, gostota, specifična toplotna zmogljivost, stopnja grafitizacije, struktura predoblike, volumski delež vlaken, temperatura toplotne obdelave/temperatura grafitizacije itd. vplivajo na ogljikove materiale Glavni dejavnik toplotne prevodnosti.
Trenutno obstajajo predvsem tri vrste ogljikovih materialov z visoko toplotno prevodnostjo:
1. Diamantni material
Trenutno je znano, da ima naravni diamant najvišjo toplotno prevodnost med naravnimi materiali, njegova toplotna prevodnost pri sobni temperaturi pa je približno 2000 do 2100 W/(m∙K). Hkrati je diamant tudi dober izolator in idealen substrat za odvajanje toplote. Trenutno ima diamantni ogljikov film, pripravljen s kemično metodo nanašanja hlapov, prednosti visoke kakovosti in nizke cene.
2. Grafitni material
Grafit je sestavljen iz šestih ploskov prizme in dveh tesno zloženih osnovnih ploskov. Spada v heksagonalno strukturo in je v glavnem razdeljen v dve kategoriji: naravni grafit in umetni grafit. Toplotna prevodnost navadnega grafita pri sobni temperaturi je le 70 do 150W/(m∙K), medtem ko lahko toplotna prevodnost naravnega grafita na ravnini kristala 002 pri sobni temperaturi doseže 2200W/(m∙K). Toplotna prevodnost na površini je dosegla tudi 2000W/(m∙K).
3. Grafenski materiali
Grafenski material je sestavljen iz dvodimenzionalne planarne strukture, sestavljene iz ene plasti ogljikovih atomov, tesno razporejenih v pravilnem šesterokotniku. Ima obliko satja in je ena plast površinskega materiala ogljikovih atomov, odluščenega iz grafita. Mikromehanska metoda luščenja, metoda epitaksijske rasti, metoda kemičnega nanašanja hlapov in metoda kemične redukcije grafenskega oksida so glavne metode priprave grafena. Toplotna prevodnost enoslojnega suspendiranega grafena pri sobni temperaturi lahko doseže 3000 do 5300 W/(m∙K)).
Ogljikovi atomi imajo posebno razporeditev. Običajno uporabljeni ogljikovi materiali imajo ogromno strukturo in anizotropijo toplotne prevodnosti, torej imajo visoko toplotno prevodnost v smeri grafitnih kristalnih ravnin, medtem ko je toplotna prevodnost med kristalnimi ravninami zelo majhna. Prednostna orientacija omejuje njegovo toplotno prevodnost v smeri debeline.
Vendar pa ni mogoče prezreti prednosti ogljikovih materialov. Materiali za toplotno upravljanje, ki uporabljajo svoje zadrževanje in ravnotežje, so še posebej primerni za odvajanje toplote iz komponent z velikimi toplotnimi tokovi v majhnih prostorih in lahko izpolnijo razvojne zahteve elektronskih komponent naslednje generacije in so velikega pomena za razvoj sodobna industrija, narodna obramba in visoka tehnologija.
