پیشرفت پژوهشی مواد هدایتی حرارتی گرافن

1. وضعیت تحقیق فیلم گرمایی گرافن

گرافن یک ساختار حلقه ای شش نفره حاوی کربن با ساختار هیبریدی sp2 است، و خواص مختلف فیزیکی و شیمیایی بسیار پایدار هستند. در مقایسه با مواد فلزی سنتی مانند مس و آلومینیوم، گرافن هدایت حرارتی در هواپیما بالاتری دارد. گرافن به دلیل ساختار خاص خود دارای چگالی پایین تر، پایداری گرمایی خوب، هدایت الکتریکی فوق العاده بالا، انتقال نور عالی و خواص مکانیکی بهتری است. گرافن یک انتخاب ایده آل به عنوان یک جزء افزودنی از مواد هدایت کننده حرارتی است. در عین حال می توان از فیلم گرافن به عنوان سینک گرما در قطعات الکترونیکی استفاده کرد که به سطح قطعات الکترونیکی متصل شده اند که تولید گرما آسان است و به طور مساوی گرمای تولید شده توسط منبع گرما را پراکنده می کند. در میان آن ها بیشترین هدایت حرارتی و بهترین اثر از بین رفتن گرما، فیلم هادی حرارتی گرافیت مصنوعی است که از فیلم پلی ایمید از طریق فرایند گرافیتیزاسیون به دست می آید. هدایت حرارتی در جهت هواپیما می تواند به ۷۰۰~۱۹۵۰W∙m-۱∙K-۱ برسد، و ضخامت آن ۱۰~۱۰۰ میکرومتر، با هدایت گرمایی خوب است.

وانگ ون و همکارانش نانوشیشه های گرافن را به پلی پروپیلن اضافه کردند که می تواند هدایت حرارتی آن را به اندازه ۱۴ برابر افزایش دهد. چن و همکارانش گرافن و نانو سلولز را از طریق تصفیه خلاء ترکیب کردند که هدایت حرارتی و خواص مکانیکی فیلم کامپوزیت نانوفیبر گرافن/سلولز را تا حد زیادی بهبود بخشید. سونگ و همکارانش گرافن و نانوسلولوز را به یک فیلم هیبریدی اکسید گرافن/کاهش یافته از طریق خود مونتاژ لایه به لایه ترکیب کردند و ساختار لایه ای بسیار منظمی را نشان می دهند. با این حال ترکیب ماتریس و گرافن انرژی زیادی مصرف می کند و نمی تواند به تولید در مقیاس بزرگ دست یابد.

در این زمینه مطالعه فیلم های گرافن هادی حرارتی بالا دو معنای مهم دارد. یکی این که با توجه به هزینه بالای فیلم های گرافیت مصنوعی و دشواری تهیه فیلم های پلی آمید با کیفیت بالا، این صنعت امیدوار است که از فیلم های گرافن هادی حرارتی بالا به عنوان طرح جایگزین استفاده شود. دوم، به دلیل افزایش تقاضا برای از بین رفتن گرما در محصولات الکترونیکی، محلول های جدید از بین رفتن گرما نه تنها نیاز به هدایت حرارتی بالای فیلم هادی حرارتی، بلکه ضخامت خاصی از فیلم هادی حرارتی برای افزایش شار هدایت گرما در جهت هواپیما دارد. در فیلم گرافیت مصنوعی، به دلیل درجه جهت گیری مولکولی پلی آمید، فیلم هادی حرارتی پلی آمید گرافیتیزه شده تنها زمانی که ضخامت کوچک باشد، هدایت حرارتی بالاتری دارد. فیلم گرمایی گرافن آسان است که به یک فیلم حرارتی ضخیم (~100 میکرومتر) ساخته شود، که چشم انداز کاربرد خوبی در سیستم مدیریت حرارتی دستگاه های الکترونیکی جدید دارد.

2.تحقیقات فنی در مورد ضخامت فیلم گرافن

آماده سازی فیلم هادی حرارتی گرافن ضخیم تر در حال حاضر یک موضوع تحقیقاتی داغ است. از نظر تئوری، برای افزایش ضخامت فیلم گرافن، تنها می توان یک فیلم اکسید گرافن ضخیم تر را به کار برد. با این حال، مشکلات زیر در عمل واقعی وجود دارد: (1) کیفیت فیلم ضخیم تشکیل شده توسط پوشش چاقو بالا نیست. با توجه به غلظت کم پراکنده شدن اکسید گرافن (کمتر از ۱۰٪) بقیه اکسید گرافن آب است که برای تبخیر نیاز به زمان طولانی دارد. دانه های اکسید گرافن از طریق پیوندهای هیدروژنی با مولکول های آب تعامل دارند و مولکول های آب هنگام تبخیر فرار می کنند، به طوری که پولک های اکسید گرافن از طریق پیوندهای هیدروژنی پیوندهای متقابل تشکیل می دهند و یک فیلم «پوست شیر» مانند بر روی سطح تشکیل می دهند. این فیلم نازک تبخیر آب داخل پراکنده شدن اکسید گرافن را کند می کند، و باعث می شود ورق اکسید گرافن جهت گیری ناهماهنگ داشته باشد که این امر کیفیت فیلم را کاهش می دهد.

(2) به دست آوردن یک فیلم ضخیم از طریق یک روش یک مرحله ای دشوار است. با توجه به غلظت کم پاشش اکسید گرافن، آماده سازی یک فیلم اکسید گرافن با ضخامت ~۱۰۰μm در یک زمان بدون در نظر گرفتن روش هایی مانند پوشش چاقو، پوشش اسپین یا پاشش غیرممکن است.  لوئو و همکارانش دریافتند که فیلم اکسید گرافن هنوز هم می تواند به شرط نفوذ آب دیونیزه شده پس از تبخیر به خشکی به یکدیگر پیوند داده شود. این پدیده به این دلیل رخ می دهد که لایه های اکسید گرافن از طریق پیوندهای هیدروژنی تحت عمل آب به یکدیگر متصل می شوند. به طوری که فیلم اکسید گرافن را می توان مانند کاغذ خمیر کرد.  ژانگ و همکارانش از روش مشابهی برای متورم کردن فیلم اکسید گرافن آماده شده در آب و خمیر آن لایه به لایه استفاده کردند. پس از خشک شدن، پرس گرم، گرافیتیزاسیون و پرس سرد، یک فیلم گرافن فوق ضخیم با ضخامت ۲۰۰ میکرومتر به دست آمده است. ۱۲۲۴ W∙m-1∙K-1 است و اثر از بین دادن گرما که توسط دوربین مادون قرمز اندازه گیری می شود بهتر از فیلم حرارتی مس، آلومینیوم و لایه نازک گرافن است. در حال حاضر مطالعات نسبتاً کمی در مورد تهیه فیلم های گرافن هدایت حرارتی با ضخامت ۱۰۰ میکرون بالا وجود دارد. علاوه بر تورم و پیوند، همپوشانی فیلم های اکسید گرافن نیز می تواند با روش هایی مانند گرمایش الکتریکی و پیوندیون فلزی به دست آورد. فیلم گرافن با ضخامت میکرون و هدایت حرارتی بالا ایده های جدیدی را ارائه می دهد.

3. چشم انداز

با توسعه فناوری آماده سازی گرافن در مقیاس بزرگ، هدایت حرارتی فیلم گرافن بسیار هادی حرارتی که بر اساس روش اکسید گرافن تهیه شده است، می تواند به ۲۰W∙m-1∙K-1 برسد. هدایت حرارتی فیلم گرافن هدایت حرارتی بالا معادل فیلم پلی آمید گرافیتیزه با کیفیت بالا برای کاربردهای صنعتی است، و هزینه کمتر و کنترل پذیری ضخامت بهتری دارد. در عین حال گرافن به عنوان یک پرکننده هادی حرارتی دو بعدی، ساخت یک شبکه هادی حرارتی سه بعدی در یک ماتریس پلیمری آسان است، و چشم انداز کاربرد خوبی در مواد رابط حرارتی دارد. با بهبود پراکنده شدن گرافن در ماتریس پلیمر و ساخت یک شبکه هدایت حرارتی گرافن سه بعدی، هدایت حرارتی کامپوزیت های رابط حرارتی پر از گرافن چندین برابر بیشتر از کامپوزیت های پلیمرها است و نسبت پرکننده کمتر از پرکننده های هادی حرارتی سنتی است. گرافن، چه به عنوان یک فیلم هادی حرارتی خود حمایت کننده استفاده شود و چه به عنوان پرکننده ای هادی حرارتی برای مواد رابط حرارتی، نقش مهمی در نسل بعدی کاربردهای دفع گرمای جزء الکترونیکی ایفا خواهد کرد.