التقدم البحثي للمواد الموصلة الحرارية الجرافين

1. حالة البحث من فيلم الجرافين الحرارية

الجرافين هو بنية حلقية تحتوي على الكربون من ستة أعضاء مع هيكل هجين sp2 ، وخصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة مستقرة للغاية. بالمقارنة مع المواد المعدنية التقليدية مثل النحاس والألومنيوم، الجرافين لديه أعلى الموصلية الحرارية في الطائرة. بسبب هيكلها الخاص، الجرافين لديه كثافة أقل، والاستقرار الحراري جيدة، الموصلية الكهربائية فائقة عالية، ونقل الضوء ممتازة وخصائص ميكانيكية أفضل. الجرافين هو خيار مثالي كعنصر مضاف من المواد الموصلة حراريا. في الوقت نفسه ، يمكن استخدام فيلم الجرافين كبالوعة حرارية في المكونات الإلكترونية ، متصلة بسطح المكونات الإلكترونية التي يسهل توليد الحرارة ، وتفريق الحرارة الناتجة عن مصدر الحرارة بالتساوي. من بينها ، فإن أعلى الموصلية الحرارية وأفضل تأثير تبديد الحرارة هو فيلم التوصيل الحراري الاصطناعي الجرافيت الذي تم الحصول عليه من فيلم البوليميد من خلال عملية الجرافيت. الموصلية الحرارية في اتجاه الطائرة يمكن أن تصل إلى 700 ~ 1950W∙ م - 1 ∙ ك - 1 ، وسمك هو 10 ~ 100 ميكرومتر ، مع الموصلية الحرارية الجيدة.

وأضاف وانغ وين وآخرون أغطية نانوية من الجرافين إلى البولي بروبلين، مما يمكن أن يزيد من الموصلية الحرارية بما يصل إلى 14 مرة. تشن وآخرون مركب الجرافين وnanocellulose من خلال الترشيح فراغ، والتي تحسنت كثيرا الموصلية الحرارية والخصائص الميكانيكية للفيلم المركب الجرافين / السليلوز نانوفيبر. أغنية وآخرون الجمع بين الجرافين وnanocellulose في السليلوز / انخفاض أكسيد الجرافين فيلم هجين من خلال طبقة طبقة التجميع الذاتي، مما يدل على هيكل الطبقات مرتبة للغاية. ومع ذلك ، فإن الجمع بين المصفوفة والجرافين يستهلك الكثير من الطاقة ولا يمكن أن يحقق إنتاجا واسع النطاق.

في هذا السياق ، فإن دراسة أفلام الجرافين الموصلية الحرارية العالية لها معاني مهمة. الأول هو أنه نظرا لارتفاع تكلفة أفلام الجرافيت الاصطناعي وصعوبة إعداد أفلام بوليميد عالية الجودة ، تأمل الصناعة في أن يتم استخدام أفلام الجرافين عالية التوصيل الحراري كخطة بديلة. ثانيا، نظرا للطلب المتزايد على تبديد الحرارة في المنتجات الإلكترونية، تتطلب حلول تبديد الحرارة الجديدة ليس فقط الموصلية الحرارية العالية للفيلم الموصل حراريا، ولكن أيضا سماكة معينة للفيلم الموصل حراريا لزيادة تدفق التوصيل الحراري في اتجاه الطائرة. في فيلم الجرافيت الاصطناعي ، نظرا لدرجة التوجه الجزيئي البوليميد ، فإن الفيلم الموصل حراريا متعدد الغرافيت يحتوي على موصلية حرارية أعلى فقط عندما يكون سمكه صغيرا. الفيلم الحراري الجرافين من السهل أن يتم في فيلم الحرارية سميكة (~ 100 ميكرومتر)، الذي لديه آفاق تطبيق جيد في نظام الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية الجديدة.

2.Technical البحوث على سمك فيلم الجرافين

إعداد سمكا الجرافين الحرارية موصل الفيلم حاليا موضوع البحث الساخن. من الناحية النظرية ، لزيادة سمك فيلم الجرافين ، يمكن تطبيق فيلم أكسيد الجرافين الأكثر سمكا فقط. ومع ذلك ، هناك المشاكل التالية في التشغيل الفعلي: (1) جودة الفيلم السميك الذي تشكله طلاء السكين ليست عالية. بسبب انخفاض تركيز تشتت أكسيد الجرافين (أقل من 10٪) ، فإن بقية أكسيد الجرافين هو الماء ، مما يتطلب وقتا طويلا للتبخر. تتفاعل رقائق أكسيد الجرافين مع جزيئات الماء من خلال روابط الهيدروجين ، وتهرب جزيئات الماء عندما تتبخر ، بحيث تشكل رقائق أكسيد الجرافين روابط متقاطعة من خلال روابط الهيدروجين ، مما يشكل فيلما يشبه "جلد الحليب" على السطح. هذا الفيلم رقيقة يبطئ تبخر المياه داخل تشتت أكسيد الجرافين، ويسبب ورقة أكسيد الجرافين أن يكون التوجه غير متناسقة، مما يقلل من جودة الفيلم.

(2) من الصعب الحصول على فيلم سميك من خلال طريقة خطوة واحدة. نظرا لانخفاض تركيز تشتت أكسيد الجرافين ، من المستحيل إعداد فيلم أكسيد الجرافين بسماكة ~ 100 ميكرومتر في كل مرة بغض النظر عن طرق مثل طلاء السكين أو طلاء الدوران أو الرش.  ووجد لو وآخرون أن فيلم أكسيد الجرافين لا يزال من الممكن ربطه ببعضه البعض في ظل حالة تسرب المياه المؤينة بعد تبخره إلى الجفاف. تحدث هذه الظاهرة لأن طبقات أكسيد الجرافين متصلة ببعضها البعض من خلال روابط الهيدروجين تحت عمل الماء. بحيث يمكن لصق فيلم أكسيد الجرافين مثل الورق.  استخدم تشانغ وآخرون طريقة مماثلة لتضخيم فيلم أكسيد الجرافين المعد في الماء ولصقه طبقة بطبقة. بعد التجفيف والضغط الساخن والجرافيت والضغط البارد ، تم الحصول على فيلم جرافين سميك للغاية بسماكة 200 ميكرومتر. فمن 1224 W∙m-1∙K-1، وتأثير تبديد الحرارة تقاس كاميرا الأشعة تحت الحمراء هو أفضل من ذلك من النحاس والألومنيوم ورقيقة طبقة الجرافين الفيلم الحراري. في الوقت الحاضر، هناك عدد قليل نسبيا من الدراسات على إعداد 100 ميكرون سميكة عالية الموصلية الحرارية أفلام الجرافين. بالإضافة إلى التورم والترابط ، يمكن أيضا تحقيق تداخل أفلام أكسيد الجرافين بطرق مثل التدفئة الكهربائية والترابط الأيونات المعدنية. فيلم الجرافين مع سمك ميكرون والتوصيل الحراري العالي يوفر أفكارا جديدة.

3. توقعات

مع تطوير تكنولوجيا إعداد الجرافين على نطاق واسع ، يمكن أن تصل الموصلية الحرارية لفيلم الجرافين الموصل حراريا للغاية الذي تم إعداده استنادا إلى طريقة أكسيد الجرافين إلى 2000W∙m-1∙K-1. التوصيل الحراري لفيلم الجرافين الموصلية الحرارية العالية يعادل ذلك من فيلم البوليميد عالي الجودة من الجرافيتيد للتطبيقات الصناعية ، ولديه تكلفة أقل وإمكانية أفضل للتحكم في السماكة. في الوقت نفسه ، من السهل بناء الجرافين ، كحشو موصل حراري ثنائي الأبعاد ، شبكة موصلة حراريا ثلاثية الأبعاد في مصفوفة البوليمر ، ولديه آفاق تطبيق جيدة في مواد الواجهة الحرارية. من خلال تحسين تشتت الجرافين في مصفوفة البوليمر وبناء شبكة توصيل حراري ثلاثي الأبعاد للجرافين ، فإن الموصلية الحرارية لمركبات الواجهة الحرارية المليئة بالجرافين أعلى عدة مرات من البوليمرات ، ونسبة الحشو أقل من نسبة الحشو الحراري التقليدي. الجرافين، سواء كان يستخدم كفيلم موصل حراريا ذاتي الدعم أو كحشو موصل حراريا لمواد الواجهة الحرارية، سيلعب دورا هاما في الجيل القادم من تطبيقات تبديد الحرارة الإلكترونية للمكونات.