Seznamte se s uhlíkovými materiály s vysokou tepelnou vodivostí
Dosavadní kovové (hliník, měď) chladiče jen obtížně splňují požadavky na odvod tepla kvůli problémům s vysokou hustotou, vysokým koeficientem tepelné roztažnosti a nečistými materiály. S rychlým rozvojem vědy a techniky věnují letectví, satelitní komunikace, vysokorychlostní počítače a další obory stále více pozornosti otázkám rozptylu tepla a jsou kladeny vyšší požadavky na materiály pro řízení teploty.
Vzhledem ke své nízké hustotě, vysoké pevnosti, vysoké tepelné vodivosti a chemické odolnosti se očekává, že uhlíkové materiály nahradí předchozí kovové materiály a stanou se novou generací materiálů s vysokou tepelnou vodivostí.
Vedení tepla uhlíkových materiálů je realizováno především tepelnou vibrací atomů mřížky. Typ uhlíkového vlákna, typ matrice, hustota, měrná tepelná kapacita, stupeň grafitizace, struktura předlisku, objemový podíl vlákna, teplota tepelného zpracování/teplota grafitizace atd. ovlivňují uhlíkové materiály Hlavní faktor tepelné vodivosti.
V současné době existují především tři typy uhlíkových materiálů s vysokou tepelnou vodivostí:
1. Diamantový materiál
V současnosti je známo, že přírodní diamant má nejvyšší tepelnou vodivost mezi přírodními materiály a jeho tepelná vodivost při pokojové teplotě je asi 2000 až 2100 W/(m∙K). Diamant je zároveň také dobrým izolantem a ideálním materiálem pro odvod tepla substrátu. V současné době má diamantový uhlíkový film připravený metodou chemického napařování výhody vysoké kvality a nízké ceny.
2. Grafitový materiál
Grafit se skládá ze šesti hranolových ploch a dvou těsně složených základních ploch. Patří do šestihranné struktury a dělí se především do dvou kategorií: přírodní grafit a umělý grafit. Tepelná vodivost běžného grafitu při pokojové teplotě je pouze 70 až 150W/(m∙K), zatímco tepelná vodivost přírodního grafitu na krystalové rovině 002 při pokojové teplotě může dosáhnout 2200W/(m∙K). Tepelná vodivost na povrchu také dosáhla 2000W/(m∙K).
3. Grafenové materiály
Grafenový materiál se skládá z dvourozměrné rovinné struktury složené z jedné vrstvy atomů uhlíku těsně uspořádaných v pravidelném šestiúhelníku. Má voštinový tvar a je to jedna vrstva povrchového materiálu atomu uhlíku odlupovaného z grafitu. Metoda mikromechanické exfoliace, metoda epitaxního růstu, metoda chemické depozice z plynné fáze a metoda chemické redukce oxidů grafenu jsou hlavními metodami přípravy grafenu. Tepelná vodivost jednovrstvého suspendovaného grafenu při pokojové teplotě může dosáhnout 3000 až 5300 W/(m∙K) ).
Atomy uhlíku mají zvláštní uspořádání. Běžně používané uhlíkové materiály mají obrovskou strukturu a anizotropii tepelné vodivosti, to znamená, že mají vysokou tepelnou vodivost ve směru krystalových rovin grafitu, zatímco tepelná vodivost mezi krystalovými rovinami je velmi malá. Výhodná orientace omezuje její tepelnou vodivost ve směru tloušťky.
Nelze však opomenout ani výhody uhlíkových materiálů. Materiály tepelného managementu, které využívají jejich kontroly a vyvážení, jsou zvláště vhodné pro odvádění tepla ze součástek s velkými tepelnými toky v malých prostorech a mohou splnit požadavky na vývoj elektronických součástek nové generace a mají velký význam pro vývoj moderní průmysl, národní obrana a špičkové technologie.
