Raziskovalni napredek Graphene toplotno prevodnih materialov
1. Raziskovalni status grafenska toplotna folija
Graphene je šestčlanska obročna struktura, ki vsebuje ogljik s hibridno strukturo SP2, različne fizikalne in kemijske lastnosti pa so zelo stabilne. V primerjavi s tradicionalnimi kovinskimi materiali, kot sta baker in aluminij, ima grafen višjo toplotno prevodnost v ravnini. Zaradi posebne strukture ima grafen nižjo gostoto, dobro toplotno stabilnost, izjemno visoko električno prevodnost, odlično oddajljivost svetlobe in boljše mehanske lastnosti. Graphene je idealna izbira kot aditivna komponenta termo prevodnih materialov. Obenem se grafenska folija lahko uporablja kot grelni pomivalnik v elektronskih komponentah, pritrjen na površino elektronskih komponent, ki so enostavne za ustvarjanje toplote, in enakomno razprši toploto, ki jo ustvarja vir toplote. Med njimi je najvišja toplotna prevodnost in najboljši učinek razsipanja toplote umetna grafitna toplotna prevodna folija, pridobljena iz poliimidnega filma s postopkom grafitizacije. Toplotna prevodnost v smeri ravnine lahko doseže 700~1950W-m-1-K-1, debelina pa je 10~100 μm, z dobro toplotno prevodnostjo.
Wang Wen et al. je polipropilenu dodal grafene nanosheete, kar lahko poveča njegovo toplotno prevodnost kar za 14-krat. Chen et al. sestavljen grafen in nanoceluloza s pomočjo vakumske filtracije, kar je zelo izboljšalo toplotno prevodnost in mehanske lastnosti grafena/celuloze nanofiber kompositnega filma. Song et al. kombiniral grafen in nanocelulozo v celulozo/zmanjšan grafen oksid hibridni film skozi plast-po-plast samosestav, ki prikazuje visoko naročajo plastno strukturo. Vendar pa kombinacija matrike in grafena porabi veliko energije in ne more doseči obsežne proizvodnje.
V tem kontekstu ima preučevanje visoko toplotno prevodnih grafenih filmov dva pomembna pomena. Ena od teh je, da industrija zaradi visokih stroškov umetnih grafitnih filmov in težavnosti pri pripravi visokokakovostnih poliimidnih filmov upa, da se lahko kot alternativni načrt uporabijo visoko toplotno prevodni grafetni filmi. Drugič, zaradi vse večjega povpraševanja po razsipavanju toplote v elektronskih izdelkih nove rešitve za toplotno disipacijo zahtevajo ne le visoko toplotno prevodnost termično prevodnega filma, temveč tudi določeno debelino termično prevodnega filma za povečanje toplotnega prevodnega toka v smeri ravnine. V umetnem grafitnem filmu ima zaradi stopnje poliimidne molekularne usmerjenosti grafitizirani poliimid termično prevodni film višjo toplotno prevodnost le takrat, ko je debelina majhna. Grafenska toplotna folija je enostavna za snemanje v debelo toplotno folijo (~100 μm), ki ima dobre možnosti uporabe v sistemu toplotnega upravljanja novih elektronskih naprav.
2.Tehnične raziskave debeline Graphene film
Priprava debelejših grafenih toplotno prevodnih filmov je trenutno vroča raziskovalna tema. Teoretično, da bi povečali debelino grafenega filma, je mogoče uporabiti le debelejši grafen oksid film. V dejanski delovanju pa obstajajo naslednje težave: (1) Kakovost debelega filma, ki ga tvori premaz z nožem, ni visoka. Zaradi nizke koncentracije graphene oksid disperzije (manj kot 10 %), preostali del grafen oksida je voda, ki zahteva dolgo časa za izhlapevanje. Graphene oksid flakes interakcijo z molekulami vode prek vodikovih vezi, in molekule vode pobegnejo, ko izhlapijo, tako da grafen oksid kosmiči tvorijo navzkrižne povezave prek vodikovih vezi, ki tvorijo "mlečno kožo"podoben film na površini. Ta tanek film upočasni izhlapevanje vode znotraj graphene oksid disperzije, in povzroči grafen oksid list, da ima nesoglasno usmerjenost, kar zmanjšuje kakovost filma.
(2) Težko je pridobiti debel film z metodo v enem koraku. Zaradi nizke koncentracije graphene oksid disperzije, je nemogoče pripraviti grafen oksid film z debelino ~100μm naenkrat ne glede na metode, kot so premaz noža, spin premaz ali pršenje. Luo et al. je ugotovil, da se lahko grafen oksid film še vedno poveže med seboj pod pogojem deionizirane infiltracije vode, potem ko izhlapeva na suhost. Ta pojav se pojavi, ker so plasti grafen oksida med seboj povezane z vodikovo vezjo pod delovanjem vode. Da se lahko grafenska oksidna folija prilepi kot papir. Zhang et al. je uporabil podobno metodo, da je nabreklo pripravljen grafen oksid film v vodi in ga prilepi plast po plast. Po sušenju, vročem stiskanju, grafitizaciji in hladnem stiskanju je bil pridobljen ultra debel grafenska folija z debelino 200 μm. Je 1224 W-m-1-K-1, učinek toplotne disipacije, merjen z infrardečo kamero, pa je boljši od učinka bakra, aluminija in tanko-slojnega grafenega toplotnega filma. Trenutno je relativno malo študij o pripravi 100-mikron debelih visoko toplotno prevodnih grafenih filmov. Poleg otekline in vezivanja se lahko prekrivanje grafenskih oksidnih filmov doseže tudi z metodami, kot sta električno ogrevanje in kovinsko ionsko vezivanje. Grafenska folija z mikronsko debelino in visoko toplotno prevodnostjo zagotavlja nove ideje.
3. Outlook
Z razvojem obsežne tehnologije priprave grafena lahko toplotna prevodnost visoko termično prevodnega grafenega filma, pripravljenega na podlagi metode grafen oksida, doseže 2000W-m-1-K-1. Toplotna prevodnost visoko toplotne prevodnosti grafenska folija je enakovredna toplotno prevodnosti visokokakovostne grafitizirane poliimidne folije za industrijske aplikacije in ima nižje stroške in boljšo nadzorljivost debeline. Obenem je grafen, kot dvodimenzionalno termično prevodno polnilo, enostaven za izgradnjo tridimenzionalnega termično prevodnega omrežja v polimerni matriki in ima dobre možnosti za uporabo v toplotnih vmesnikih materialov. Z izboljšanjem disperzije grafena v polimerni matriki in izgradnjo tridimenzionalnega grafenega toplotnega prevodnega omrežja je toplotna prevodnost kompotijev termičnega vmesnika, napolnjenih z grafenom, nekajkrat višja od razmerja polimerov, razmerje polnila pa je nižje od razmerja med tradicionalnimi toplotno prevodnimi polnili. Graphene, ne glede na to, ali se uporablja kot samoporni termovodni film ali kot termično prevodno polnilo za materiale toplotnega vmesnika, bo imel pomembno vlogo pri naslednji generaciji aplikacij za elektronsko razsipanje toplote komponent.
