Progrés de la recerca de materials conductors tèrmics de grafè
1. Estat de recerca de la pel·lícula tèrmica de grafè
El grafè és una estructura d'anell de sis membres que conté carboni amb estructura híbrida sp2, i diverses propietats físiques i químiques són molt estables. En comparació amb els materials metàl·lics tradicionals com el coure i l'alumini, el grafè té una conductivitat tèrmica més alta en el pla. A causa de la seva estructura especial, el grafè té menor densitat, bona estabilitat tèrmica, conductivitat elèctrica ultra alta, excel·lent transmitància de llum i millors propietats mecàniques. El grafè és una opció ideal com a component additiu de materials tèrmicament conductors. Al mateix temps, la pel·lícula de grafè es pot utilitzar com a dissipador de calor en components electrònics, unit a la superfície de components electrònics que són fàcils de generar calor, i dispersa uniformement la calor generada per la font de calor. Entre ells, la conductivitat tèrmica més alta i el millor efecte de dissipació de calor és la pel·lícula conductora tèrmica de grafit artificial obtinguda de pel·lícula de poliimida mitjançant procés de grafitització. La conductivitat tèrmica en la direcció del pla pot arribar a 700 ~ 1950W ∙ m-1 ∙ K-1, i el gruix és de 10 ~ 100 μm, amb una bona conductivitat tèrmica.
Wang Wen et al. va afegir nanosheets de grafè al polipropilè, que pot augmentar la seva conductivitat tèrmica fins a 14 vegades. Chen et al. grafè compost i nanocel·lulosa a través de la filtració al buit, que va millorar considerablement la conductivitat tèrmica i les propietats mecàniques de la pel·lícula composta de nanofibra grafè / cel·lulosa. Song et al. van combinar grafè i nanocel·lulosa en una pel·lícula híbrida de cel·lulosa / òxid de grafè reduïda a través d'un autoassematge capa per capa, mostrant una estructura en capes molt ordenada. No obstant això, la combinació de la matriu i el grafè consumeix molta energia i no pot aconseguir la producció a gran escala.
En aquest context, l'estudi de pel·lícules de grafè d'alta conductivitat tèrmica té dos significats importants. Una és que a causa de l'alt cost de les pel·lícules de grafit artificial i la dificultat de preparar pel·lícules de poliimida d'alta qualitat, la indústria espera que les pel·lícules de grafè d'alta conductivitat tèrmica es puguin utilitzar com a pla alternatiu. En segon lloc, a causa de la creixent demanda de dissipació de calor en productes electrònics, les noves solucions de dissipació de calor requereixen no només una alta conductivitat tèrmica de la pel·lícula tèrmicament conductora, sinó també un cert gruix de la pel·lícula tèrmicament conductora per augmentar el flux de conducció de calor en la direcció del pla. A la pel·lícula de grafit artificial, a causa del grau d'orientació molecular de poliimida, la pel·lícula conductora tèrmica de poliimida grafitada té una conductivitat tèrmica més alta només quan el gruix és petit. La pel·lícula tèrmica de grafè és fàcil de convertir en una pel·lícula tèrmica gruixuda (~ 100 μm), que té bones perspectives d'aplicació en el sistema de gestió tèrmica de nous dispositius electrònics.
2.Investigació tècnica sobre el gruix de la pel·lícula de grafè
La preparació de pel·lícula conductora tèrmica de grafè més gruixuda és actualment un tema d'investigació candent. Teòricament parlant, per augmentar el gruix de la pel·lícula de grafè, només es pot aplicar una pel·lícula d'òxid de grafè més gruixuda. No obstant això, hi ha els següents problemes en el funcionament real: (1) La qualitat de la pel·lícula gruixuda formada pel recobriment de ganivets no és alta. A causa de la baixa concentració de la dispersió de l'òxid de grafè (menys del 10%), la resta de l'òxid de grafè és aigua, que requereix molt de temps per evaporar-se. Els flocs d'òxid de grafè interactuen amb les molècules d'aigua a través d'enllaços d'hidrogen, i les molècules d'aigua s'escapen quan s'evaporen, de manera que els flocs d'òxid de grafè formen enllaços creuats a través d'enllaços d'hidrogen, formant una pel·lícula semblant a la "pell de llet" a la superfície. Aquesta fina pel·lícula alenteix l'evaporació de l'aigua dins de la dispersió de l'òxid de grafè, i fa que la làmina d'òxid de grafè tingui una orientació inconsistent, el que redueix la qualitat de la pel·lícula.
(2) És difícil obtenir una pel·lícula gruixuda mitjançant un mètode d'un sol pas. A causa de la baixa concentració de la dispersió de l'òxid de grafè, és impossible preparar una pel·lícula d'òxid de grafè amb un gruix de ~ 100μm alhora, independentment de mètodes com el recobriment de ganivets, el recobriment de gir o la polvorització. Luo et al. van trobar que la pel·lícula d'òxid de grafè encara es pot unir entre si sota la condició d'infiltració d'aigua desionitzada després de ser evaporada a la sequedat. Aquest fenomen es produeix perquè les capes d'òxid de grafè estan connectades entre si a través d'enllaços d'hidrogen sota l'acció de l'aigua. De manera que la pel·lícula d'òxid de grafè es pot enganxar com el paper. Zhang et al. van utilitzar un mètode similar per inflar la pel·lícula d'òxid de grafè preparada a l'aigua i enganxar-la capa per capa. Després de l'assecat, premsat en calent, grafitització i premsat en fred, es va obtenir una pel·lícula de grafè ultra gruixuda amb un gruix de 200 μm. És de 1224 W∙m-1∙K-1, i l'efecte de dissipació de calor mesurat per la càmera infraroja és millor que el de la pel·lícula tèrmica de coure, alumini i grafè de capa fina. En l'actualitat, hi ha relativament pocs estudis sobre la preparació de pel·lícules de grafè d'alta conductivitat tèrmica de 100 micres de gruix. A més de la inflor i l'enllaç, la superposició de pel·lícules d'òxid de grafè també es pot aconseguir mitjançant mètodes com l'escalfament elèctric i l'enllaç d'ió metàl·lic. La pel·lícula de grafè amb gruix de micos i alta conductivitat tèrmica proporciona noves idees.
3. Outlook
Amb el desenvolupament de la tecnologia de preparació de grafè a gran escala, la conductivitat tèrmica de la pel·lícula de grafè altament conductor tèrmicament preparada basada en el mètode d'òxid de grafè pot arribar a 2000W ∙ m-1 ∙ K-1. La conductivitat tèrmica de la pel·lícula de grafè d'alta conductivitat tèrmica és equivalent a la de la pel·lícula de poliimida grafitada d'alta qualitat per a aplicacions industrials, i té un cost més baix i una millor controlabilitat del gruix. Al mateix temps, el grafè, com a farciment conductor tèrmica bidimensional, és fàcil de construir una xarxa tèrmicament conductora tridimensional en una matriu polimèrica i té bones perspectives d'aplicació en materials d'interfície tèrmica. En millorar la dispersió del grafè a la matriu polimèrica i construir una xarxa de conductivitat tèrmica de grafè tridimensional, la conductivitat tèrmica dels compostos d'interfície tèrmica plens de grafè és diverses vegades superior a la dels polímers, i la relació de farciment és inferior a la dels farciments conductors tèrmics tradicionals. El grafè, ja sigui utilitzat com a pel·lícula tèrmicament conductora autoportant o com a farciment tèrmicament conductor per a materials d'interfície tèrmica, jugarà un paper important en la propera generació d'aplicacions de dissipació de calor de components electrònics.
