Jika anda pernah memegang telefon pintar yang kekal lebih sejuk daripada model yang lebih baharu semasa sesi permainan selama sejam, atau komputer riba permainan yang tidak berbunyi seperti enjin jet yang beroperasi pada pertengahan perlawanan, anda mungkin mendapat manfaat daripada filem grafit—salah satu bahan pengurusan haba yang paling serba boleh di pasaran. Sebagai pembekal filem grafit, saya selalu ditanya soalan ini oleh jurutera, pereka produk, dan juga penggemar yang ingin tahu: Bagaimanakah sebenarnya kepingan karbon yang nipis dan fleksibel ini mengalirkan haba dengan lebih baik daripada hampir semua bahan biasa yang lain? Ia bukan sihir, sudah tentu-ia adalah sains karbon tulen, dan sebaik sahaja anda memecahkannya, ia masuk akal. Mari kita lihat struktur molekul, fizik pemindahan haba, dan mengapa filem grafit telah menjadi penyelesaian utama untuk segala-galanya daripada bateri EV hingga fon kepala mewah.
Mula-mula, mari kita mulakan dengan apa sebenarnya grafit, kerana di situlah semua sihir pengalir haba hidup. Kebanyakan orang mengetahui grafit sebagai bahan dalam plumbum pensel, tetapi itu adalah campuran tanah liat dan pengikat grafit yang sangat mampat, bukan grafit tulen dan tersusun tinggi yang digunakan untuk aplikasi terma. Grafit sebenar ialah satu bentuk karbon yang secara semula jadi menyusun dirinya menjadi kekisi sarang lebah heksagon, seperti lembaran dawai ayam, dengan setiap atom karbon terikat rapat dengan tiga atom karbon yang bersebelahan. Ini dipanggil lapisan graphene—lembaran karbon setebal satu atom yang sudah menjadi salah satu konduktor haba terbaik yang diketahui manusia. Apabila anda menyusun berjuta-juta lapisan graphene ini di atas satu sama lain, dengan daya van der Waals yang lemah menahannya, anda mendapat grafit pukal. Tetapi untuk kegunaan haba, kami mengambil struktur semula jadi itu dan memperhalusinya untuk mencipta pelbagai jenis filem grafit, setiap satu disesuaikan dengan kes penggunaan tertentu. Sebagai contoh, kamiFilem nanografitdiperbuat daripada kepingan graphene yang lebih kecil dan bersaiz seragam, yang memberikan kekonduksian terma dalam satah yang luar biasa sambil kekal nipis dan cukup fleksibel untuk dimuatkan ke dalam ruang yang sempit.
Kini, kunci kepada kuasa besar pengalir haba grafit terletak pada kekisi heksagon itu dan cara haba bergerak melaluinya. Haba pada asasnya ialah getaran atom dan molekul—apabila bahan menjadi panas, atomnya bergoyang lebih cepat, dan tenaga itu perlu dipindahkan ke atom jiran untuk merebak. Dalam kebanyakan bahan, pemindahan itu perlahan kerana ikatan atom tidak teratur atau tidak kemas, yang mewujudkan "titik serakan" di mana tenaga getaran hilang. Ambil logam, sebagai contoh: tembaga adalah konduktor yang baik, tetapi struktur atomnya tidak seragam dengan sempurna, jadi sebahagian daripada tenaga haba hilang sebagai rintangan elektrik atau gelombang bunyi dan bukannya bergerak melalui bahan. Walau bagaimanapun, struktur dalam satah grafit adalah hampir sempurna. Ikatan karbon-karbon kovalen yang kuat dalam lapisan graphene itu bermakna getaran (dipanggil fonon, untuk kutu buku fizik) bergerak hampir tanpa halangan di sepanjang satah kepingan grafit. Ia seperti lebuh raya tanpa tanda henti atau lampu isyarat—haba boleh berzip sepanjang arah dalam pesawat pada kelajuan sehingga 2,000 W/m·K, yang jauh lebih tinggi daripada kuprum kira-kira 401 W/m·K. Itulah sebabnya filem grafit sangat berkesan untuk menyebarkan haba secara merata ke seluruh permukaan, dan bukannya membiarkannya berkumpul di titik panas.
Di sinilah ia menjadi lebih menarik: kekonduksian terma grafit adalah sangat anisotropik, yang merupakan cara mewah untuk mengatakan ia mengalirkan haba dengan sangat baik dalam satu arah tetapi kurang baik di arah yang lain. Arah dalam satah (di sepanjang lapisan graphene) ialah tempat semua pergerakan fonon berlaku, tetapi arah melalui satah (berserenjang dengan lapisan) ialah tempat daya van der Waals yang lemah menahan kepingan graphene bersama-sama, dan daya tersebut jauh lebih lemah, jadi fonon berselerak sentiasa. Ini bermakna haba tidak bergerak secara menegak melalui helaian filem grafit dengan mudah, yang sebenarnya merupakan ciri, bukan pepijat. Untuk kebanyakan aplikasi, anda ingin mengeluarkan haba dari tempat liputan kecil (seperti pemproses telefon) dan menyebarkannya ke permukaan yang besar untuk menghilangkannya, dan bukannya membiarkannya tenggelam terus ke bahagian dalam peranti. kamiFilem Grafit yang Menghisap Habadireka bentuk untuk menguatkan kesan anisotropik ini, dengan nisbah 5:1 atau lebih tinggi bagi kekonduksian dalam satah kepada melalui satah, menjadikannya sesuai untuk peranti nipis di mana ruang berada pada tahap premium.
Sudah tentu, tidak semua filem grafit dicipta sama. Selama bertahun-tahun, kami telah membangunkan varian khusus untuk memenuhi keperluan unik industri yang berbeza, setiap satu membina struktur kekisi graphene teras tersebut. Untuk aplikasi yang memerlukan kedua-dua kekonduksian haba yang tinggi dan kestabilan mekanikal, kamiFilem Grafit Kompositmenggabungkan grafit tulen dengan sejumlah kecil pengisi polimer atau seramik, yang menambah ketahanan dan ketahanan terhadap lenturan tanpa mengorbankan pemindahan haba. Ini sesuai untuk telefon pintar boleh lipat, di mana skrin fleksibel memerlukan penyelesaian terma yang tidak akan retak atau delaminat selepas beribu-ribu lipatan. Untuk aplikasi berkuasa lebih tinggi, seperti pek bateri kenderaan elektrik atau CPU pelayan, kami telah mencipta kamiFilem Grafit Komposit Berbilang Lapisan, yang menyusun berbilang lapisan grafit dengan pelekat nipis di antaranya. Pelekat direka bentuk untuk tidak menyekat pemindahan fonon, jadi anda mendapat gabungan kekonduksian tinggi berbilang lapisan tanpa kehilangan haba yang anda jangkakan daripada pelekat biasa.
Saya sering ditanya mengapa kami menggunakan filem grafit dan bukannya kertas grafit biasa atau grafit pukal. Perbezaannya terletak pada saiz dan penjajaran butiran. Apabila anda memproses grafit menjadi filem nipis, anda boleh menjajarkan lapisan graphene dengan sempurna semasa pengeluaran, yang memaksimumkan kekonduksian terma dalam satah itu. Jika anda hanya menekan grafit pukal ke dalam helaian, lapisan graphene berorientasikan secara rawak, jadi pemindahan haba adalah lebih tidak sekata. kamiFilem Nipis Grafit, sebagai contoh, hanya beberapa mikron tebal, dengan lapisan graphene diselaraskan dalam lingkungan 0.5 darjah antara satu sama lain, memberikannya kekonduksian dalam satah melebihi 1,800 W/m·K—hampir setinggi graphene sintetik tulen itu sendiri. Itulah jenis prestasi yang anda perlukan untuk kad grafik mewah, di mana walaupun penurunan 10% dalam kekonduksian terma boleh menyebabkan pendikitan dan prestasi berkurangan.
Mari kita bercakap tentang contoh dunia sebenar untuk membuat konkrit ini. Beberapa bulan lalu, kami bekerjasama dengan syarikat permulaan yang sedang membangunkan pengecas mudah alih padat dengan cip pengecasan pantas 45W. Reka bentuk asal menggunakan sink haba tembaga, tetapi ia terlalu besar, dan pengecas menjadi sangat panas sehingga tidak selesa untuk dipegang. Apabila mereka bertukar-tukar dalam Filem Grafit Penyelesaian Haba kami, mereka dapat mengurangkan saiz sink haba sebanyak 60% dan mengurangkan suhu permukaan peranti sebanyak 12 darjah Celsius. kenapa? Tembaga hanya menyebarkan haba beberapa milimeter dari cip, tetapi filem grafit menyebarkan haba yang sama ke seluruh permukaan atas pengecas, di mana ia boleh meresap ke udara dengan lebih cepat. Itulah sifat anisotropik di tempat kerja—haba bergerak sepanjang grafit, bukan melaluinya, jadi ia tersebar dan bukannya tertumpu.
Satu lagi soalan biasa: bagaimana filem grafit dibandingkan dengan bahan terma lain seperti pes haba, bahan perubahan fasa atau paip haba? Pes terma berfungsi dengan mengisi jurang antara dua permukaan, tetapi ia hanya mempunyai kekonduksian sederhana (sekitar 8 W/m·K) dan boleh mengering dari semasa ke semasa, kehilangan prestasi. Paip haba sangat bagus untuk aplikasi berkuasa tinggi, tetapi ia besar, rapuh dan tidak boleh digunakan dalam ruang yang sangat kecil seperti jam tangan pintar atau fon telinga tanpa wayar. Filem grafit adalah nipis, fleksibel, ringan, dan mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi daripada tampal. Satu-satunya kelemahan ialah ia tidak begitu baik untuk memindahkan haba merentasi jurang, jadi anda biasanya memasangkannya dengan sedikit pelekat haba untuk membuat bahan antara muka terma yang lengkap (TIM).
Sekarang, mari kita masuk ke bahagian pengeluaran, kerana di situlah kami memperhalusi grafit daripada bentuk mentahnya ke dalam filem berprestasi tinggi yang pelanggan kami harapkan. Proses ini bermula dengan sama ada poliakrilonitril sintetik (PAN) atau kepingan grafit semula jadi. Kami membersihkan bahan mentah untuk membuang kekotoran seperti sulfur dan ion logam, yang akan mewujudkan titik serakan untuk fonon dan mengurangkan kekonduksian. Seterusnya, kami mengembangkan grafit pada suhu tinggi, yang memisahkan lapisan graphene. Kami kemudian memproses grafit yang telah dikembangkan menjadi buburan, membuangnya ke dalam kepingan nipis, dan memampatkannya di bawah tekanan tinggi untuk menjajarkan lapisan graphene. Untuk filem nanografit kami, kami menggunakan kepingan yang lebih kecil dan lebih seragam untuk mendapatkan penjajaran yang lebih baik, manakala filem berbilang lapisan kami menambah langkah mampatan sekunder untuk memastikan lapisan disusun dengan sempurna. Setiap kelompok diuji untuk kekonduksian terma, ketebalan dan fleksibiliti untuk memastikan ia memenuhi piawaian kami yang ketat.
Sebagai pembekal filem grafit, saya telah melihat bagaimana bahan ini telah berkembang sepanjang dekad yang lalu. Sepuluh tahun yang lalu, filem grafit kebanyakannya digunakan dalam telefon pintar dan elektronik pengguna kecil, tetapi kini ia digunakan dalam segala-galanya daripada pengurusan haba bateri EV kepada pencahayaan LED, peranti perubatan seperti mesin MRI, dan juga komponen satelit. Permintaan untuk penyelesaian terma yang lebih baik, lebih kecil, lebih ringan hanya akan berkembang apabila peranti menjadi lebih berkuasa dan nipis, dan filem grafit diletakkan dengan sempurna untuk memenuhi permintaan tersebut.
Jika anda seorang jurutera atau pereka produk yang mengusahakan projek yang memerlukan prestasi terma yang lebih baik, saya menggalakkan anda untuk menghubungi pasukan kami untuk membincangkan keperluan khusus anda. Sama ada anda memerlukan filem nipis untuk peranti boleh lipat, komposit berbilang lapisan untuk bateri berkuasa tinggi atau helaian bersaiz tersuai untuk aplikasi perubatan, kami boleh membantu anda mencari penyelesaian filem grafit yang betul. Kami bekerjasama dengan pelanggan merentas industri, dan kami sentiasa gembira untuk menguji kumpulan sampel untuk memastikan filem kami menepati keperluan anda. Jangan teragak-agak untuk menghubungi pasukan kami untuk memulakan projek pengurusan haba anda yang seterusnya—kami bersedia membantu anda membina produk yang berjalan lebih sejuk, tahan lebih lama dan berprestasi lebih baik.
Rujukan
- Balandin, AA (2011). Sifat terma graphene dan bahan karbon berstruktur nano.Bahan Alam Semula Jadi, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y., et al. (2018). Kekonduksian terma anisotropik bagi filem grafit berorientasikan tinggi.Karbon, 134, 242-250.
- Moore, AL, & Shi, L. (2014). Cabaran dan bahan yang muncul untuk pengurusan haba elektronik.Bahan Hari Ini, 17(4), 163-174.
- Liu, J., et al. (2020). Filem grafit komposit untuk aplikasi pengurusan haba: Kajian semula.Jurnal Sains Bahan: Bahan dalam Elektronik, 31(24), 21357-21378.
