Ako ste ikada držali pametni telefon koji je ostao primjetno hladniji od novijeg modela tijekom sat vremena igranja ili prijenosno računalo za igranje koje ne zvuči kao mlazni motor koji se pokreće usred utakmice, vjerojatno ste imali koristi od grafitnog filma — jednog od najsvestranijih materijala za upravljanje toplinom na tržištu. Kao dobavljaču grafitne folije, inženjeri, dizajneri proizvoda, pa čak i znatiželjni hobisti stalno mi postavljaju ovo pitanje: Kako točno ova tanka, fleksibilna ploča od ugljika provodi toplinu toliko bolje od gotovo bilo kojeg drugog uobičajenog materijala? To, naravno, nije magija - to je čista znanost o ugljiku, i kada to razložite, ima savršenog smisla. Prođimo kroz molekularnu strukturu, fiziku toplinskog prijenosa i zašto je grafitni film postao glavno rješenje za sve, od baterija za električna vozila do vrhunskih slušalica.
Prvo, počnimo s time što je zapravo grafit, jer tu živi sva magija koja provodi toplinu. Većina ljudi poznaje grafit kao materijal u olovci, ali to je jako komprimirana mješavina grafitne gline i veziva, a ne čisti, visoko uređeni grafit koji se koristi za toplinske primjene. Pravi grafit je oblik ugljika koji se prirodno slaže u šesterokutnu rešetku saća, poput lista pileće žice, pri čemu je svaki atom ugljika čvrsto vezan za tri susjedna atoma ugljika. To se naziva sloj grafena — sloj ugljika debljine jednog atoma koji je već jedan od najboljih vodiča topline poznatih čovjeku. Kada složite milijune ovih slojeva grafena jedan na drugi, sa slabim van der Waalsovim silama koje ih drže zajedno, dobit ćete masovni grafit. Ali za toplinsku upotrebu uzimamo tu prirodnu strukturu i usavršavamo je kako bismo stvorili različite vrste grafitnog filma, od kojih je svaki prilagođen posebnim slučajevima uporabe. Na primjer, našNanografitni filmizrađen je od manjih grafenskih pahuljica ujednačenije veličine, što mu daje iznimnu toplinsku vodljivost u ravnini, a pritom ostaje dovoljno tanak i fleksibilan da stane u uske prostore.
Sada, ključ grafitove supermoći provođenja topline leži u toj šesterokutnoj rešetki i načinu na koji se toplina kreće kroz nju. Toplina je u biti vibracija atoma i molekula - kada se materijal zagrije, njegovi se atomi brže tresu i ta se energija mora prenijeti na susjedne atome da bi se raširila. U većini materijala taj je prijenos spor jer su atomske veze nepravilne ili neuredne, što stvara "točke raspršenja" gdje se energija vibracije gubi. Uzmimo za primjer metale: bakar je dobar vodič, ali njegova atomska struktura nije savršeno ujednačena, pa se dio toplinske energije raspršuje kao električni otpor ili zvučni valovi umjesto da se kreće kroz materijal. Grafitova struktura u ravnini je, međutim, gotovo savršeno uređena. Te jake kovalentne veze ugljik-ugljik u slojevima grafena znače da se vibracije (zvane fononi, za štrebere fizike) gotovo neometano kreću duž ravnine grafitnog lista. To je poput autoceste bez znakova za zaustavljanje ili semafora—toplina može juriti duž smjera u ravnini brzinom do 2000 W/m·K, što je puno više od bakrenih otprilike 401 W/m·K. Zato je grafitna folija tako učinkovita u ravnomjernom širenju topline preko površine, umjesto da se skuplja u vrućim točkama.
Ovdje postaje još zanimljivije: toplinska vodljivost grafita vrlo je anizotropna, što je otmjen način da se kaže da vrlo dobro provodi toplinu u jednom smjeru, ali slabo u drugom. Smjer u ravnini (duž slojeva grafena) je mjesto gdje se odvija svo kretanje fonona, ali smjer kroz ravninu (okomito na slojeve) je mjesto gdje slabe van der Waalsove sile drže grafenske ploče zajedno, a te su sile mnogo slabije, pa se fononi neprestano raspršuju. To znači da se toplina ne kreće okomito kroz grafitnu foliju lako, što je zapravo značajka, a ne greška. Za većinu aplikacija želite odvesti toplinu od sićušne žarišne točke (poput procesora telefona) i rasporediti je po velikoj površini kako biste je raspršili, umjesto da dopustite da potone ravno u unutrašnjost uređaja. NašeGrafitni film koji odvodi toplinuje dizajniran da pojača ovaj anizotropni učinak, s 5:1 ili višim omjerom vodljivosti u ravnini prema vodljivosti kroz ravninu, što ga čini idealnim za tanke uređaje gdje je prostor na prvom mjestu.
Naravno, nije svaki grafitni film jednak. Tijekom godina razvili smo specijalizirane varijante kako bismo zadovoljili jedinstvene potrebe različitih industrija, a svaka se temeljila na toj jezgri strukture grafenske rešetke. Za primjene koje zahtijevaju visoku toplinsku vodljivost i mehaničku stabilnost, našKompozitni grafitni filmkombinira čisti grafit s malim količinama polimera ili keramičkih punila, koja dodaju izdržljivost i otpornost na savijanje bez žrtvovanja prijenosa topline. Ovo je savršeno za sklopive pametne telefone, gdje savitljivi zaslon treba toplinsko rješenje koje neće puknuti ili se raslojiti nakon tisuća savijanja. Za aplikacije veće snage, kao što su baterije za električna vozila ili procesori poslužitelja, stvorili smo našeVišeslojni kompozitni grafitni film, koji slaže više slojeva grafita s tankim ljepilom između njih. Ljepilo je napravljeno tako da ne blokira prijenos fonona, tako da dobivate kombiniranu visoku vodljivost više slojeva bez gubitka topline koji biste očekivali od običnog ljepila.
Često me pitaju zašto koristimo grafitni film umjesto običnog grafitnog papira ili masovnog grafita. Razlika se svodi na veličinu zrna i poravnanje. Kada preradite grafit u tanki film, možete savršeno poravnati slojeve grafena tijekom proizvodnje, što maksimizira toplinsku vodljivost u ravnini. Ako samo utisnete masu grafita u list, slojevi grafena su nasumično orijentirani, pa je prijenos topline puno neravnomjerniji. NašeGrafitni tanki film, na primjer, debeo je samo nekoliko mikrona, sa slojevima grafena poredanim na 0,5 stupnjeva jedan od drugog, što mu daje vodljivost u ravnini od preko 1800 W/m·K—gotovo jednako kao čisti, sintetički grafen. To je vrsta performansi koja vam je potrebna za vrhunske grafičke kartice, gdje čak i pad toplinske vodljivosti od 10% može dovesti do prigušenja i smanjenja performansi.
Razgovarajmo o primjeru iz stvarnog svijeta da to učinimo konkretnijim. Prije nekoliko mjeseci radili smo s startupom koji je razvijao kompaktni prijenosni punjač s čipom za brzo punjenje od 45 W. Izvorni dizajn koristio je bakreni hladnjak, ali bio je preglomazan, a punjač se toliko zagrijao da ga je bilo neugodno držati. Kada su zamijenili naš grafitni film koji raspršuje toplinu, uspjeli su smanjiti veličinu hladnjaka za 60% i smanjiti temperaturu površine uređaja za 12 stupnjeva Celzijusa. Zašto? Bakar je širio toplinu samo nekoliko milimetara od čipa, ali je grafitni film širio tu istu toplinu preko cijele gornje površine punjača, gdje se mogla brže raspršiti u zrak. To je upravo anizotropno svojstvo na djelu - toplina se kreće duž grafita, a ne kroz njega, pa je raspršena umjesto koncentrirana.
Još jedno uobičajeno pitanje: kakav je grafitni film u usporedbi s drugim toplinskim materijalima poput termalne paste, materijala s promjenom faze ili toplinskih cijevi? Termalna pasta ispunjava praznine između dviju površina, ali ima samo umjerenu vodljivost (oko 8 W/m·K) i može se osušiti tijekom vremena, gubeći učinkovitost. Toplinske cijevi izvrsne su za aplikacije velike snage, ali su glomazne, lomljive i ne mogu se koristiti u vrlo malim prostorima poput pametnih satova ili bežičnih slušalica. Grafitni film je tanak, fleksibilan, lagan i ima daleko veću vodljivost od paste. Jedina mu je mana što nije tako dobar u prijenosu topline kroz razmak, pa ga obično uparite s malom količinom toplinskog ljepila kako biste napravili potpuni toplinski međusklopni materijal (TIM).
Prijeđimo sada na proizvodnu stranu, jer tamo rafiniramo grafit iz njegovog sirovog oblika u film visokih performansi na koji se naši kupci oslanjaju. Proces počinje ili sintetskim poliakrilonitrilom (PAN) ili prirodnim grafitnim pahuljicama. Pročišćavamo sirovinu kako bismo uklonili nečistoće poput sumpora i metalnih iona, koji bi stvorili točke raspršenja za fonone i smanjili vodljivost. Zatim ekspandiramo grafit na visokim temperaturama, što razdvaja slojeve grafena. Zatim obrađujemo ekspandirani grafit u kašu, lijevamo ga u tanke ploče i komprimiramo pod visokim pritiskom kako bismo poravnali slojeve grafena. Za naš nanografitni film koristimo manje, ujednačenije ljuskice kako bismo postigli još bolje poravnanje, dok naš višeslojni film dodaje korak sekundarne kompresije kako bi se osiguralo da su slojevi savršeno složeni. Svaka se serija testira na toplinsku vodljivost, debljinu i fleksibilnost kako bismo bili sigurni da zadovoljava naše stroge standarde.
Kao dobavljač grafitne folije, vidio sam kako se ovaj materijal razvio u proteklom desetljeću. Prije deset godina grafitni film uglavnom se koristio u pametnim telefonima i maloj potrošačkoj elektronici, ali sada se koristi u svemu, od upravljanja toplinom baterije EV do LED rasvjete, medicinskih uređaja poput MRI uređaja, pa čak i satelitskih komponenti. Potražnja za boljim, manjim, lakšim toplinskim rješenjima samo će rasti kako uređaji budu postajali moćniji i tanji, a grafitni film je savršeno pozicioniran da zadovolji tu potražnju.
Ako ste inženjer ili dizajner proizvoda koji radi na projektu koji zahtijeva bolju toplinsku izvedbu, potičem vas da kontaktirate naš tim kako bismo razgovarali o vašim specifičnim potrebama. Bez obzira trebate li tanki film za sklopivi uređaj, višeslojni kompozit za bateriju velike snage ili lim prilagođene veličine za medicinsku primjenu, možemo vam pomoći pronaći pravo rješenje za grafitni film. Radimo s kupcima iz različitih industrija i uvijek rado testiramo serije uzoraka kako bismo bili sigurni da naša folija odgovara vašim zahtjevima. Nemojte se ustručavati kontaktirati naš tim kako biste započeli svoj sljedeći projekt upravljanja toplinom—tu smo da vam pomognemo izraditi proizvode koji rade hladnije, traju dulje i imaju bolje performanse.
Reference
- Balandin, AA (2011). Toplinska svojstva grafena i nanostrukturiranih ugljikovih materijala.Prirodni materijali, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y. i sur. (2018). Anizotropna toplinska vodljivost visokoorijentiranih grafitnih filmova.Ugljik, 134, 242-250.
- Moore, AL i Shi, L. (2014). Novi izazovi i materijali za upravljanje toplinom elektronike.Materijali danas, 17(4), 163-174.
- Liu, J. i sur. (2020). Kompozitni grafitni filmovi za primjenu u upravljanju toplinom: pregled.Časopis za znanost o materijalima: Materijali u elektronici, 31(24), 21357-21378.
