Ak ste niekedy držali smartfón, ktorý zostal počas hodinovej hry výrazne chladnejší ako novší model, alebo herný notebook, ktorý neznie ako prúdový motor štartujúci uprostred zápasu, pravdepodobne ste využili grafitovú fóliu – jeden z najuniverzálnejších materiálov na riadenie teploty na trhu. Ako dodávateľ grafitových fólií dostávam túto otázku neustále od inžinierov, produktových dizajnérov a dokonca aj zvedavých nadšencov: Ako presne táto tenká, flexibilná vrstva uhlíka vedie teplo oveľa lepšie ako takmer akýkoľvek iný bežný materiál? Nie je to mágia, samozrejme, je to čistá uhlíková veda, a keď ju rozložíte, dáva to dokonalý zmysel. Prejdime si molekulárnu štruktúru, fyziku prenosu tepla a prečo sa grafitová fólia stala vhodným riešením pre všetko od batérií EV po špičkové slúchadlá.
Najprv začnime tým, čo to vlastne grafit je, pretože tam žije všetka tá teplovodivá mágia. Väčšina ľudí pozná grafit ako látku v ceruzke, ale to je silne stlačená zmes grafitovej hliny a spojív, nie čistý, vysoko usporiadaný grafit používaný na tepelné aplikácie. Skutočný grafit je forma uhlíka, ktorá sa prirodzene usporiada do šesťuholníkovej voštinovej mriežky, ako plát kuracieho drôtu, pričom každý atóm uhlíka je pevne spojený s tromi susednými atómami uhlíka. Nazýva sa to grafénová vrstva - uhlíková vrstva s hrúbkou jedného atómu, ktorá je už jedným z najlepších tepelných vodičov, ktoré človek pozná. Keď poskladáte milióny týchto grafénových vrstiev na seba, pričom slabé van der Waalsove sily ich držia pohromade, získate hromadný grafit. Ale pre tepelné použitie berieme túto prirodzenú štruktúru a zušľachťujeme ju, aby sme vytvorili rôzne typy grafitového filmu, každý prispôsobený špecifickým prípadom použitia. Napríklad nášNanografitový filmje vyrobený z menších grafénových vločiek s rovnomernejšou veľkosťou, čo mu dodáva výnimočnú tepelnú vodivosť v rovine, pričom zostáva dostatočne tenké a flexibilné, aby sa zmestilo do stiesnených priestorov.
Kľúč k tepelnej vodivosti grafitu spočíva v tejto šesťuholníkovej mriežke a v tom, ako cez ňu prechádza teplo. Teplo je v podstate vibrácia atómov a molekúl – keď sa materiál zahreje, jeho atómy sa chvejú rýchlejšie a táto energia sa musí preniesť na susedné atómy, aby sa rozšírila. Vo väčšine materiálov je tento prenos pomalý, pretože atómové väzby sú nepravidelné alebo chaotické, čo vytvára „body rozptylu“, v ktorých sa stráca vibračná energia. Vezmime si napríklad kovy: meď je dobrý vodič, ale jej atómová štruktúra nie je dokonale rovnomerná, takže časť tepelnej energie sa rozptýli ako elektrický odpor alebo zvukové vlny namiesto toho, aby sa pohybovala materiálom. Štruktúra grafitu v rovine je však takmer dokonale usporiadaná. Tieto silné kovalentné väzby uhlík-uhlík v grafénových vrstvách znamenajú, že vibrácie (nazývané fonóny, pre fyzikálnych expertov) sa pohybujú takmer bez prekážok pozdĺž roviny grafitového listu. Je to ako na diaľnici bez značiek zastavenia alebo semaforov – teplo sa môže šíriť v smere roviny rýchlosťou až 2 000 W/m·K, čo je oveľa viac ako v prípade medi približne 401 W/m·K. To je dôvod, prečo je grafitová fólia taká účinná pri rovnomernom šírení tepla po povrchu, namiesto toho, aby ho nechala hromadiť v horúcich bodoch.
Tu je to ešte zaujímavejšie: tepelná vodivosť grafitu je vysoko anizotropná, čo je fantastický spôsob, ako povedať, že vedie teplo veľmi dobre v jednom smere, ale zle v druhom. Smer v rovine (pozdĺž grafénových vrstiev) je miestom, kde sa deje všetok pohyb fonónov, ale smer cez rovinu (kolmý na vrstvy) je miestom, kde slabé van der Waalsove sily držia grafénové listy pohromade a tieto sily sú oveľa slabšie, takže fonóny sa neustále rozptyľujú. To znamená, že teplo sa ľahko nepohybuje vertikálne cez grafitový film, čo je vlastne vlastnosť, nie chyba. Pri väčšine aplikácií chcete teplo odobrať z malého hotspotu (ako je procesor telefónu) a rozložiť ho na veľkú plochu, aby sa rozptýlilo, namiesto toho, aby ste ho nechali klesnúť priamo do vnútra zariadenia. nášGrafitová fólia odvádzajúca teploje navrhnutý tak, aby zosilnil tento anizotropný efekt, s pomerom vodivosti v rovine k vodivosti v rovine 5:1 alebo vyšším, vďaka čomu je ideálny pre tenké zariadenia, kde je priestor na prvom mieste.
Samozrejme, nie všetky grafitové fólie sú si rovné. V priebehu rokov sme vyvinuli špecializované varianty, ktoré spĺňajú jedinečné potreby rôznych priemyselných odvetví, pričom každý stavia na základnej grafénovej mriežkovej štruktúre. Pre aplikácie, ktoré vyžadujú vysokú tepelnú vodivosť a mechanickú stabilitu, našeKompozitná grafitová fóliakombinuje čistý grafit s malým množstvom polymérových alebo keramických plnív, ktoré dodávajú trvanlivosť a odolnosť voči ohybu bez obetovania prenosu tepla. To je ideálne pre skladacie smartfóny, kde flexibilná obrazovka potrebuje tepelné riešenie, ktoré nepraskne ani sa neoddelí po tisíckach zložení. Pre aplikácie s vyšším výkonom, ako sú batérie elektrických vozidiel alebo serverové CPU, sme vytvorili našeViacvrstvová kompozitná grafitová fólia, ktorý naskladá viacero grafitových vrstiev s tenkým lepidlom medzi nimi. Lepidlo je navrhnuté tak, aby neblokovalo fonónový prenos, takže získate kombinovanú vysokú vodivosť viacerých vrstiev bez tepelných strát, ktoré by ste očakávali od bežného lepidla.
Často dostávam otázku, prečo používame grafitový film namiesto obyčajného grafitového papiera alebo hromadného grafitu. Rozdiel spočíva vo veľkosti zrna a zarovnaní. Keď spracovávate grafit na tenký film, môžete počas výroby dokonale zarovnať vrstvy grafénu, čo maximalizuje tepelnú vodivosť v rovine. Ak len stlačíte hromadný grafit do listu, vrstvy grafénu sú náhodne orientované, takže prenos tepla je oveľa nerovnomernejší. nášTenký grafitový film, má napríklad hrúbku len niekoľko mikrónov, pričom vrstvy grafénu sú navzájom zarovnané s presnosťou 0,5 stupňa, čo mu dáva vodivosť v rovine viac ako 1 800 W/m·K – takmer rovnako vysokú ako samotný čistý syntetický grafén. To je druh výkonu, ktorý potrebujete pre špičkové grafické karty, kde aj 10% pokles tepelnej vodivosti môže viesť k škrteniu a zníženiu výkonu.
Poďme sa porozprávať o príklade z reálneho sveta, aby sme to urobili konkrétnym. Pred pár mesiacmi sme spolupracovali so startupom, ktorý vyvíjal kompaktnú prenosnú nabíjačku s 45W rýchlonabíjacím čipom. Pôvodný dizajn používal medený chladič, no bol príliš objemný a nabíjačka sa tak zahrievala, že sa nepohodlne držala. Keď vymenili našu grafitovú fóliu odvádzajúcu teplo, dokázali zmenšiť veľkosť chladiča o 60 % a znížiť povrchovú teplotu zariadenia o 12 stupňov Celzia. prečo? Meď šírila teplo len niekoľko milimetrov od čipu, ale grafitový film šíril rovnaké teplo po celom hornom povrchu nabíjačky, kde sa mohol rýchlejšie rozptýliť do vzduchu. To je presne tá anizotropná vlastnosť – teplo sa pohybuje pozdĺž grafitu, nie cez neho, takže sa rozptýli namiesto sústredenia.
Ďalšia častá otázka: ako sa grafitový film porovnáva s inými tepelnými materiálmi, ako sú tepelná pasta, materiály s fázovou zmenou alebo tepelné trubice? Tepelná pasta funguje tak, že vypĺňa medzery medzi dvoma povrchmi, ale má len miernu vodivosť (okolo 8 W/m·K) a môže časom vyschnúť a stratiť výkon. Tepelné trubice sú skvelé pre aplikácie s vysokým výkonom, ale sú objemné, krehké a nedajú sa použiť vo veľmi malých priestoroch, ako sú inteligentné hodinky alebo bezdrôtové slúchadlá. Grafitový film je tenký, flexibilný, ľahký a má oveľa vyššiu vodivosť ako pasta. Jedinou nevýhodou je, že nie je taký dobrý pri prenose tepla cez medzeru, takže ho zvyčajne spárujete s malým množstvom tepelného lepidla, aby ste vytvorili kompletný materiál tepelného rozhrania (TIM).
Teraz poďme na stránku výroby, pretože práve tam zušľachťujeme grafit zo surovej formy na vysokovýkonnú fóliu, na ktorú sa naši zákazníci spoliehajú. Proces začína buď syntetickým polyakrylonitrilom (PAN) alebo prírodnými grafitovými vločkami. Surovinu čistíme, aby sme odstránili nečistoty, ako sú ióny síry a kovov, ktoré by vytvorili body rozptylu pre fonóny a znížili vodivosť. Ďalej expandujeme grafit pri vysokých teplotách, čím sa oddelia grafénové vrstvy. Expandovaný grafit potom spracujeme na kašu, odlejeme do tenkých plátov a stlačíme pod vysokým tlakom, aby sa zarovnali vrstvy grafénu. Pre našu nanografitovú fóliu používame menšie, rovnomernejšie vločky, aby sme dosiahli ešte lepšie zarovnanie, zatiaľ čo naša viacvrstvová fólia pridáva sekundárny krok kompresie, aby sa zabezpečilo, že vrstvy sú dokonale naskladané. Každá šarža je testovaná na tepelnú vodivosť, hrúbku a flexibilitu, aby sme sa uistili, že spĺňa naše prísne normy.
Ako dodávateľ grafitovej fólie som videl, ako sa tento materiál za posledné desaťročie vyvinul. Pred desiatimi rokmi sa grafitová fólia používala väčšinou v smartfónoch a malej spotrebnej elektronike, ale teraz sa používa vo všetkom, od tepelného manažmentu batérie EV po LED osvetlenie, lekárske zariadenia, ako sú prístroje MRI, a dokonca aj satelitné komponenty. Dopyt po lepších, menších a ľahších tepelných riešeniach bude len rásť s tým, ako budú zariadenia výkonnejšie a tenšie, a grafitová fólia je perfektne umiestnená na uspokojenie tohto dopytu.
Ak ste inžinier alebo produktový dizajnér pracujúci na projekte, ktorý si vyžaduje lepší tepelný výkon, odporúčame vám obrátiť sa na náš tím a prediskutovať vaše špecifické potreby. Či už potrebujete tenkú fóliu pre skladacie zariadenie, viacvrstvový kompozit pre vysokovýkonnú batériu alebo hárok vlastnej veľkosti pre medicínske aplikácie, môžeme vám pomôcť nájsť správne riešenie grafitovej fólie. Spolupracujeme so zákazníkmi v rôznych odvetviach a vždy radi otestujeme šarže vzoriek, aby sme sa uistili, že naša fólia vyhovuje vašim požiadavkám. Neváhajte kontaktovať náš tím, aby ste mohli začať s ďalším projektom tepelného manažmentu – sme tu, aby sme vám pomohli vytvoriť produkty, ktoré fungujú chladnejšie, vydržia dlhšie a dosahujú lepší výkon.
Referencie
- Balandin, AA (2011). Tepelné vlastnosti grafénu a nanoštruktúrovaných uhlíkových materiálov.Prírodné materiály10(8), 569-581.
- Zhang, Y., a kol. (2018). Anizotropná tepelná vodivosť vysoko orientovaných grafitových vrstiev.Uhlík134, 242-250.
- Moore, AL, & Shi, L. (2014). Nové výzvy a materiály pre tepelný manažment elektroniky.Materiály dnes17(4), 163-174.
- Liu, J., a kol. (2020). Kompozitné grafitové fólie pre aplikácie tepelného manažmentu: Prehľad.Journal of Materials Science: Materials in Electronics31(24), 21357-21378.
