Если вы когда-либо держали в руках смартфон, который оставался заметно холоднее, чем новая модель, во время часовой игровой сессии, или игровой ноутбук, звук которого не похож на звук реактивного двигателя, взлетающего в середине матча, вам, вероятно, пригодилась графитовая пленка — один из самых универсальных материалов для управления температурой на рынке. Как поставщику графитовой пленки, инженеры, дизайнеры и даже любопытные любители постоянно задают мне этот вопрос: как именно этот тонкий гибкий лист углерода проводит тепло настолько лучше, чем почти любой другой распространенный материал? Конечно, это не волшебство — это чистая наука об углероде, и как только вы ее разберете, все обретет смысл. Давайте рассмотрим молекулярную структуру, физику теплопередачи и почему графитовая пленка стала универсальным решением для всего: от аккумуляторов для электромобилей до наушников высокого класса.
Во-первых, давайте начнем с того, что на самом деле представляет собой графит, потому что именно здесь живет вся магия теплопроводности. Большинству людей графит известен как компонент карандашного грифеля, но это сильно спрессованная смесь графитовой глины и связующих веществ, а не чистый высокоупорядоченный графит, используемый для термических применений. Настоящий графит — это форма углерода, которая естественным образом образует гексагональную сотовую решетку, подобную листу проволочной сетки, где каждый атом углерода прочно связан с тремя соседними атомами углерода. Это называется слоем графена — лист углерода толщиной в один атом, который уже является одним из лучших проводников тепла, известных человечеству. Когда вы складываете миллионы этих слоев графена друг на друга, при этом слабые силы Ван-дер-Ваальса удерживают их вместе, вы получаете объемный графит. Но для термического использования мы берем эту естественную структуру и совершенствуем ее, создавая различные типы графитовой пленки, каждый из которых адаптирован к конкретным случаям использования. Например, нашНанографитовая пленкаИзготовлен из более мелких, более однородных по размеру графеновых чешуек, что придает ему исключительную теплопроводность в плоскости, оставаясь при этом достаточно тонким и гибким, чтобы помещаться в ограниченном пространстве.
Ключ к сверхспособности графита в теплопроводности лежит в этой шестиугольной решетке и в том, как тепло проходит через нее. По сути, тепло — это вибрация атомов и молекул: когда материал нагревается, его атомы колеблются быстрее, и для распространения этой энергии необходимо передаться соседним атомам. В большинстве материалов этот перенос происходит медленно, поскольку атомные связи нерегулярны или беспорядочны, что создает «точки рассеяния», в которых энергия вибрации теряется. Возьмем, к примеру, металлы: медь — хороший проводник, но ее атомная структура не идеально однородна, поэтому часть тепловой энергии рассеивается в виде электрического сопротивления или звуковых волн, а не проходит через материал. Однако плоскостная структура графита почти идеально упорядочена. Эти сильные ковалентные связи углерод-углерод в слоях графена означают, что вибрации (называемые фононами для любителей физики) почти беспрепятственно движутся вдоль плоскости графитового листа. Это похоже на шоссе без знаков остановки и светофоров: тепло может распространяться вдоль плоскости со скоростью до 2000 Вт/м·К, что намного выше, чем примерно 401 Вт/м·К у меди. Вот почему графитовая пленка настолько эффективно распределяет тепло по поверхности, не позволяя ему скапливаться в горячих точках.
И вот тут все становится еще интереснее: теплопроводность графита сильно анизотропна. Это причудливый способ сказать, что графит очень хорошо проводит тепло в одном направлении, но плохо — в другом. В направлении в плоскости (вдоль слоев графена) происходит все движение фононов, но в направлении через плоскость (перпендикулярно слоям) слабые силы Ван-дер-Ваальса удерживают листы графена вместе, и эти силы намного слабее, поэтому фононы постоянно рассеиваются. Это означает, что тепло не может легко перемещаться вертикально через лист графитовой пленки, что на самом деле является особенностью, а не ошибкой. В большинстве приложений требуется отводить тепло от крошечной горячей точки (например, процессора телефона) и распределять его по большой поверхности, чтобы рассеять его, а не позволять ему опускаться прямо внутрь устройства. НашТеплорассеивающая графитовая пленкаразработан для усиления этого анизотропного эффекта с соотношением проводимости в плоскости к проводимости всквозь 5:1 или выше, что делает его идеальным для тонких устройств, где пространство ограничено.
Конечно, не все графитовые пленки одинаковы. За прошедшие годы мы разработали специализированные варианты для удовлетворения уникальных потребностей различных отраслей промышленности, каждый из которых основан на базовой структуре графеновой решетки. Для применений, требующих как высокой теплопроводности, так и механической стабильности, нашиКомпозитная графитовая пленкасочетает в себе чистый графит с небольшим количеством полимерных или керамических наполнителей, которые повышают прочность и устойчивость к изгибу без ущерба для теплопередачи. Это идеальное решение для складных смартфонов, где гибкий экран требует термического решения, которое не треснет и не расслаивается после тысяч складываний. Для приложений с более высокой мощностью, таких как аккумуляторные батареи электромобилей или серверные процессоры, мы создали нашуМногослойная композитная графитовая пленка, который укладывает несколько слоев графита с тонким клеем между ними. Клей разработан так, чтобы не блокировать перенос фононов, поэтому вы получаете комбинированную высокую проводимость нескольких слоев без потерь тепла, которые можно ожидать от обычного клея.
Меня часто спрашивают, почему мы используем графитовую пленку вместо простой графитовой бумаги или объемного графита. Разница сводится к размеру зерна и выравниванию. Когда вы перерабатываете графит в тонкую пленку, вы можете идеально выровнять слои графена во время производства, что максимизирует теплопроводность в плоскости. Если просто впрессовать объемный графит в лист, слои графена ориентированы хаотично, поэтому теплообмен будет гораздо более неравномерным. НашГрафитовая тонкая пленка, например, имеет толщину всего несколько микрон, а слои графена расположены на расстоянии не более 0,5 градуса друг от друга, что дает ему проводимость в плоскости более 1800 Вт/м·К — почти такую же высокую, как у самого чистого синтетического графена. Именно такая производительность необходима для высокопроизводительных видеокарт, где даже снижение теплопроводности на 10 % может привести к дросселированию и снижению производительности.
Давайте поговорим о реальном примере, чтобы прояснить это. Несколько месяцев назад мы работали со стартапом, который разрабатывал компактное портативное зарядное устройство с чипом быстрой зарядки мощностью 45 Вт. В оригинальной конструкции использовался медный радиатор, но он был слишком громоздким, а зарядное устройство настолько нагревалось, что его было неудобно держать. Когда они заменили нашу теплорассеивающую графитовую пленку, они смогли уменьшить размер радиатора на 60% и снизить температуру поверхности устройства на 12 градусов Цельсия. Почему? Медь распространяла тепло всего на несколько миллиметров от чипа, но графитовая пленка распространяла это же тепло по всей верхней поверхности зарядного устройства, где оно могло быстрее рассеиваться в воздухе. Именно в этом проявляется анизотропное свойство — тепло движется вдоль графита, а не сквозь него, поэтому оно распространяется, а не концентрируется.
Еще один распространенный вопрос: чем графитовая пленка отличается от других тепловых материалов, таких как термопаста, материалы с фазовым переходом или тепловые трубки? Термопаста заполняет зазоры между двумя поверхностями, но она имеет лишь умеренную проводимость (около 8 Вт/м·К) и может со временем высыхать, теряя производительность. Тепловые трубки отлично подходят для приложений с высокой мощностью, но они громоздки, хрупки и не могут использоваться в очень маленьких помещениях, таких как умные часы или беспроводные наушники. Графитовая пленка тонкая, гибкая, легкая и имеет гораздо более высокую проводимость, чем паста. Единственным недостатком является то, что он не так хорошо передает тепло через зазор, поэтому обычно его соединяют с небольшим количеством термоклея, чтобы получить полноценный термоинтерфейсный материал (TIM).
Теперь давайте перейдем к производству, потому что именно здесь мы перерабатываем графит из его необработанной формы в высокоэффективную пленку, на которую полагаются наши клиенты. Процесс начинается либо с синтетического полиакрилонитрила (ПАН), либо с чешуек природного графита. Мы очищаем сырье от примесей, таких как сера и ионы металлов, которые создают точки рассеяния фононов и снижают проводимость. Далее мы расширяем графит при высоких температурах, что разделяет слои графена. Затем мы перерабатываем расширенный графит в суспензию, отливаем его в тонкие листы и сжимаем под высоким давлением, чтобы выровнять слои графена. Для нашей нанографитовой пленки мы используем более мелкие и однородные хлопья, чтобы добиться еще лучшего выравнивания, а в нашу многослойную пленку добавлен этап вторичного сжатия, чтобы гарантировать идеальное укладку слоев. Каждая партия проверяется на теплопроводность, толщину и гибкость, чтобы убедиться, что она соответствует нашим строгим стандартам.
Как поставщик графитовой пленки, я видел, как этот материал развивался за последнее десятилетие. Десять лет назад графитовая пленка в основном использовалась в смартфонах и небольшой бытовой электронике, но теперь она используется во всем: от терморегулирования аккумуляторов электромобилей до светодиодного освещения, медицинских устройств, таких как аппараты МРТ, и даже спутниковых компонентов. Спрос на более качественные, меньшие и более легкие тепловые решения будет только расти по мере того, как устройства станут более мощными и тонкими, и графитовая пленка идеально подходит для удовлетворения этого спроса.
Если вы инженер или дизайнер продукта, работающий над проектом, требующим улучшения тепловых характеристик, я рекомендую вам обратиться к нашей команде, чтобы обсудить ваши конкретные потребности. Если вам нужна тонкая пленка для складного устройства, многослойный композит для батареи высокой мощности или лист нестандартного размера для медицинского применения, мы можем помочь вам найти правильное решение для графитовой пленки. Мы работаем с клиентами из разных отраслей и всегда рады протестировать образцы партий, чтобы убедиться, что наша пленка соответствует вашим требованиям. Не стесняйтесь обращаться к нашей команде, чтобы начать свой следующий проект по управлению температурным режимом — мы здесь, чтобы помочь вам создавать продукты, которые работают меньше, служат дольше и работают лучше.
Ссылки
- Баландин А.А. (2011). Термические свойства графена и наноструктурированных углеродных материалов.Природные материалы, 10(8), 569-581.
- Чжан Ю. и др. (2018). Анизотропная теплопроводность пленок высокоориентированного графита.Углерод, 134, 242-250.
- Мур, А.Л., и Ши, Л. (2014). Новые проблемы и материалы для терморегулирования электроники.Материалы сегодня, 17(4), 163-174.
- Лю, Дж. и др. (2020). Композитные графитовые пленки для терморегулирования: обзор.Журнал материаловедения: Материалы в электронике, 31(24), 21357-21378.
