Grafénový vykurovací film vykazuje vyššiu tepelnú vodivosť ako grafitový film

Vedci z  University of Technology, Švédsko, vyvinuli grafenový film, ktorý má o 60 percent vyššiu tepelnú vodivosť ako grafitový film – napriek tomu, že grafit sa jednoducho skladá z mnohých vrstiev grafénu. Grafénový film vykazuje veľký potenciál ako nový materiál šíriaci teplo pre elektroniku poháňanú tvarovým faktorom a ďalšie vysoko poháňané systémy.

Až doteraz vedci z výskumnej komunity v oblasti grafénu predpokladali, že film zostavený z grafénu nemôže mať vyššiu tepelnú vodivosť ako grafitový film. Jednovrstvový grafén má tepelnú vodivosť medzi 3 500 a 5 000 W / mK. Ak dáte dve vrstvy grafénu dohromady, stane sa teoreticky grafitom, pretože grafén je iba jednou vrstvou grafitu.

V súčasnosti majú grafitové filmy , ktoré sú prakticky užitočné na rozptyl a šírenie tepla v mobilných telefónoch a iných energetických zariadeniach, tepelnú vodivosť až do 1950 W / mK. Preto by fólia zostavená z grafénu nemala mať vyššiu tepelnú vodivosť ako táto.

Vedci z Chalmers University of Technology nedávno zmenili túto situáciu. Zistili, že tepelná vodivosť filmu zostaveného z grafénu môže dosiahnuť až 3 200 W / mK, čo je o 60 percent viac ako najlepšie grafitové filmy.

Profesor Johan Liu a jeho výskumný tím to dosiahli starostlivou kontrolou veľkosti zŕn a poradia stohovania grafénových vrstiev. Vysoká tepelná vodivosť je výsledkom veľkej veľkosti zŕn, vysoká rovinnosť a slabé väzby medzivrstvy energie grafenových vrstiev. S týmito dôležitými znakmi sa fonóny, ktorých pohyb a vibrácie určujú tepelný výkon, môžu pohybovať rýchlejšie v grafénových vrstvách ako interagovať medzi vrstvami, čo vedie k vyššej tepelnej vodivosti.

„Je to skutočne veľký prielom vo vede a môže to mať veľký vplyv na transformáciu existujúceho priemyslu na výrobu grafitových filmov,“ hovorí Johan Liu.

Vedci ďalej zistili, že grafénový film má takmer trikrát vyššiu mechanickú pevnosť v ťahu ako grafitový film a dosahuje 70 MPa.

„Vďaka výhodám veľmi vysokej tepelnej vodivosti a tenkých, flexibilných a robustných štruktúr vykazuje vyvinutý grafénový film veľký potenciál ako nový materiál šíriaci teplo na tepelné riadenie elektroniky s tvarovým faktorom a iných vysoko výkonných systémov.“ , hovorí Johan Liu.

V dôsledku nekonečnej miniaturizácie a integrácie sú výkonnosť a spoľahlivosť moderných elektronických zariadení a mnohých ďalších vysokovýkonných systémov veľmi ohrozené vážnymi problémami s tepelným rozptylom.

„Na vyriešenie problému musia materiály šíriace teplo získať lepšie vlastnosti, pokiaľ ide o tepelnú vodivosť, hrúbku, flexibilitu a robustnosť, aby zodpovedali zložitej a vysoko integrovanej povahe energetických systémov,“ hovorí Johan Liu. „Komerčne dostupné materiály na tepelnú vodivosť, ako sú meď, hliník a umelý grafitový film, už tieto požiadavky nespĺňajú a neuspokojujú.“

IP vysoko kvalitného výrobného procesu pre grafénový film patrí spoločnosti SHT Smart High Tech AB, spin-off spoločnosti od Chalmers, ktorá sa zameria na komercializáciu tejto technológie.

Spôsob výroby grafénového filmu je založený na súčasnom vytváraní a redukcii filmu oxidu grafénového, na hliníkovom substráte, separácii filmu prebublávaním za sucha a následnom vysokoteplotnom spracovaní a mechanickom lisovaní. Tieto podmienky umožňujú tvorbu grafénového filmu s veľkou veľkosťou zŕn, dobrým usporiadaním atómov, štruktúrou tenkého filmu a nízkou väzobnou energiou medzivrstvy. Všetky tieto vlastnosti majú veľký prínos pre prenos vysokofrekvenčných difúznych fonónov a nízkofrekvenčných balistických fonónov, a tým vedú k zlepšeniu tepelnej vodivosti grafického filmu v rovine. Fonóny sú kvantové častice, ktoré opisujú tepelnú vodivosť materiálu.