Jeśli kiedykolwiek trzymałeś smartfon, który podczas godzinnej sesji gry był zauważalnie chłodniejszy niż nowszy model, lub laptopa do gier, który nie wydawał dźwięku przypominającego startujący silnik odrzutowy w połowie meczu, prawdopodobnie skorzystałeś z folii grafitowej — jednego z najbardziej wszechstronnych materiałów zapewniających kontrolę ciepła na rynku. Jako dostawca folii grafitowej inżynierowie, projektanci produktów, a nawet ciekawscy hobbyści nieustannie zadają mi to pytanie: w jaki sposób ten cienki, elastyczny arkusz węgla przewodzi ciepło o wiele lepiej niż prawie każdy inny powszechnie stosowany materiał? To oczywiście nie magia – to czysta nauka o węglu, a kiedy ją rozłożysz, ma to sens. Przyjrzyjmy się strukturze molekularnej, fizyce termotransferu i dlaczego folia grafitowa stała się idealnym rozwiązaniem do wszystkiego, od akumulatorów EV po wysokiej klasy słuchawki.
Zacznijmy najpierw od tego, czym właściwie jest grafit, bo w nim kryje się cała magia przewodząca ciepło. Większość ludzi zna grafit jako substancję występującą w ołowiu ołówkowym, ale jest to mocno sprasowana mieszanka glinki grafitowej i spoiw, a nie czysty, wysoce uporządkowany grafit używany do zastosowań termicznych. Prawdziwy grafit jest formą węgla, która naturalnie układa się w sześciokątną siatkę o strukturze plastra miodu, przypominającą arkusz drutu z kurczaka, przy czym każdy atom węgla jest ściśle związany z trzema sąsiednimi atomami węgla. Nazywa się to warstwą grafenu – arkuszem węgla o grubości jednego atomu, który jest już jednym z najlepszych znanych człowiekowi przewodników ciepła. Kiedy ułożysz miliony warstw grafenu jedna na drugiej, przy czym słabe siły van der Waalsa utrzymują je razem, otrzymasz grafit w masie. Jednak w przypadku zastosowań termicznych bierzemy tę naturalną strukturę i udoskonalamy ją, tworząc różne rodzaje folii grafitowej, każdy dostosowany do konkretnych zastosowań. Na przykład naszFilm nanografitowyjest wykonany z mniejszych płatków grafenu o bardziej jednakowej wielkości, co zapewnia mu wyjątkową przewodność cieplną w płaszczyźnie, a jednocześnie pozostaje cienki i wystarczająco elastyczny, aby zmieścić się w ciasnych przestrzeniach.
Kluczem do supermocy grafitu w zakresie przewodzenia ciepła jest sześciokątna siatka i sposób, w jaki ciepło przez nią przepływa. Ciepło to zasadniczo wibracja atomów i cząsteczek — gdy materiał się nagrzewa, jego atomy drgają szybciej, a energia musi zostać przeniesiona do sąsiednich atomów, aby się rozproszyć. W większości materiałów transfer ten jest powolny, ponieważ wiązania atomowe są nieregularne lub nieuporządkowane, co tworzy „punkty rozpraszania”, w których tracona jest energia wibracji. Weźmy na przykład metale: miedź jest dobrym przewodnikiem, ale jej struktura atomowa nie jest idealnie jednolita, więc część energii cieplnej zamiast przemieszczać się przez materiał, rozprasza się w postaci oporu elektrycznego lub fal dźwiękowych. Jednakże płaska struktura grafitu jest niemal idealnie uporządkowana. Te silne kowalencyjne wiązania węgiel-węgiel w warstwach grafenu oznaczają, że wibracje (zwane fononami, dla maniaków fizyki) przemieszczają się niemal bez przeszkód wzdłuż płaszczyzny arkusza grafitu. To jak autostrada bez znaków stopu i sygnalizacji świetlnej – ciepło może przemieszczać się wzdłuż płaszczyzny z prędkością do 2000 W/m·K, czyli znacznie więcej niż w przypadku miedzi wynoszącej około 401 W/m·K. Właśnie dlatego folia grafitowa tak skutecznie rozprowadza ciepło po powierzchni i nie pozwala na jego gromadzenie się w gorących punktach.
Tutaj sprawa staje się jeszcze bardziej interesująca: przewodność cieplna grafitu jest wysoce anizotropowa, co w fantazyjny sposób mówi, że grafit przewodzi ciepło bardzo dobrze w jednym kierunku, ale słabo w drugim. Kierunek w płaszczyźnie (wzdłuż warstw grafenu) to miejsce, w którym zachodzi cały ruch fononów, ale w kierunku płaszczyzny (prostopadle do warstw) to miejsce, w którym słabe siły van der Waalsa utrzymują razem arkusze grafenu, a siły te są znacznie słabsze, więc fonony stale się rozpraszają. Oznacza to, że ciepło nie przemieszcza się łatwo pionowo przez arkusz folii grafitowej, co w rzeczywistości jest cechą, a nie błędem. W przypadku większości zastosowań należy odciągnąć ciepło z małego, gorącego punktu (takiego jak procesor telefonu) i rozprowadzić je na dużej powierzchni w celu rozproszenia, zamiast pozwalać, aby spływało bezpośrednio do wnętrza urządzenia. NaszFolia grafitowa rozpraszająca ciepłozostał zaprojektowany tak, aby wzmacniać ten efekt anizotropowy, przy stosunku przewodności w płaszczyźnie do płaszczyzny przelotowej wynoszącej 5:1 lub więcej, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla cienkich urządzeń, w których przestrzeń jest na wagę złota.
Oczywiście nie wszystkie folie grafitowe są sobie równe. Przez lata opracowaliśmy wyspecjalizowane warianty, aby sprostać unikalnym potrzebom różnych branż, a każda z nich opiera się na podstawowej strukturze sieci grafenowej. Do zastosowań wymagających zarówno wysokiej przewodności cieplnej, jak i stabilności mechanicznej, naszeKompozytowa folia grafitowałączy w sobie czysty grafit z niewielką ilością wypełniaczy polimerowych lub ceramicznych, które dodają trwałości i odporności na zginanie bez utraty przewodzenia ciepła. Jest to idealne rozwiązanie w przypadku składanych smartfonów, gdzie elastyczny ekran wymaga rozwiązania termicznego, które nie pęka ani nie rozwarstwia się po tysiącach zgięć. Do zastosowań wymagających większej mocy, takich jak akumulatory pojazdów elektrycznych lub procesory serwerów, stworzyliśmy naszeWielowarstwowa kompozytowa folia grafitowa, który układa wiele warstw grafitu z cienkim klejem pomiędzy nimi. Klej został zaprojektowany tak, aby nie blokował przenoszenia fononów, dzięki czemu uzyskuje się połączoną wysoką przewodność wielu warstw bez utraty ciepła, jakiej można oczekiwać od zwykłego kleju.
Często jestem pytany, dlaczego używamy folii grafitowej zamiast zwykłego papieru grafitowego lub grafitu luzem. Różnica sprowadza się do wielkości ziaren i ich wyrównania. Przetwarzając grafit w cienką warstwę, można idealnie wyrównać warstwy grafenu podczas produkcji, co maksymalizuje przewodność cieplną w płaszczyźnie. Jeśli po prostu wciśniesz grafit luzem w arkusz, warstwy grafenu będą ułożone losowo, więc przenoszenie ciepła będzie znacznie bardziej nierówne. NaszCienka warstwa grafituna przykład ma tylko kilka mikronów grubości, a warstwy grafenu są rozmieszczone w odstępie 0,5 stopnia od siebie, co daje mu przewodność w płaszczyźnie ponad 1800 W/m·K – prawie tak wysoką jak sam czysty, syntetyczny grafen. Takiej wydajności potrzebujesz w przypadku wysokiej klasy kart graficznych, w przypadku których nawet 10% spadek przewodności cieplnej może prowadzić do dławienia i zmniejszenia wydajności.
Porozmawiajmy o przykładzie ze świata rzeczywistego, aby skonkretyzować tę kwestię. Kilka miesięcy temu współpracowaliśmy ze startupem, który opracowywał kompaktową przenośną ładowarkę z chipem szybkiego ładowania 45 W. W oryginalnym projekcie zastosowano miedziany radiator, ale był on zbyt nieporęczny, a ładowarka nagrzewała się tak, że trzymanie jej było niewygodne. Po wymianie naszej rozpraszającej ciepło folii grafitowej udało im się zmniejszyć rozmiar radiatora o 60% i obniżyć temperaturę powierzchni urządzenia o 12 stopni Celsjusza. Dlaczego? Miedź rozprowadzała ciepło zaledwie kilka milimetrów od chipa, ale warstwa grafitu rozprowadzała to samo ciepło po całej górnej powierzchni ładowarki, gdzie mogło szybciej rozproszyć się w powietrzu. To jest dokładnie ta anizotropowa właściwość – ciepło przemieszcza się wzdłuż grafitu, a nie przez niego, więc jest rozproszone, a nie skoncentrowane.
Kolejne częste pytanie: jak wypada folia grafitowa w porównaniu z innymi materiałami termicznymi, takimi jak pasta termoprzewodząca, materiały zmiennofazowe lub rury cieplne? Pasta termoprzewodząca wypełnia szczeliny między dwiema powierzchniami, ale ma umiarkowaną przewodność (około 8 W/m·K) i z czasem może wyschnąć, tracąc wydajność. Rurki cieplne doskonale nadają się do zastosowań wymagających dużej mocy, ale są nieporęczne, delikatne i nie można ich używać w bardzo małych przestrzeniach, takich jak smartwatche czy bezprzewodowe słuchawki douszne. Folia grafitowa jest cienka, elastyczna, lekka i ma znacznie wyższą przewodność niż pasta. Jedyną wadą jest to, że nie jest tak dobry w przekazywaniu ciepła przez szczelinę, dlatego zwykle łączy się go z niewielką ilością kleju termicznego, aby uzyskać kompletny materiał interfejsu termicznego (TIM).
Przejdźmy teraz do strony produkcyjnej, ponieważ to tam udoskonalamy grafit z jego surowej postaci w wysokowydajną folię, na której polegają nasi klienci. Proces rozpoczyna się od syntetycznego poliakrylonitrylu (PAN) lub płatków naturalnego grafitu. Oczyszczamy surowiec w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak siarka i jony metali, które tworzyłyby punkty rozpraszania fononów i zmniejszały przewodność. Następnie ekspandujemy grafit w wysokich temperaturach, co oddziela warstwy grafenu. Następnie przetwarzamy ekspandowany grafit w zawiesinę, odlewamy go w cienkie arkusze i prasujemy pod wysokim ciśnieniem, aby wyrównać warstwy grafenu. W przypadku naszej folii nanografitowej używamy mniejszych, bardziej jednolitych płatków, aby uzyskać jeszcze lepsze wyrównanie, podczas gdy w przypadku naszej folii wielowarstwowej stosujemy dodatkowy etap kompresji, aby zapewnić idealne ułożenie warstw. Każda partia jest testowana pod kątem przewodności cieplnej, grubości i elastyczności, aby upewnić się, że spełnia nasze rygorystyczne standardy.
Jako dostawca folii grafitowej widziałem, jak ten materiał ewoluował w ciągu ostatniej dekady. Dziesięć lat temu folia grafitowa była głównie stosowana w smartfonach i małej elektronice użytkowej, ale obecnie jest stosowana we wszystkim, od zarządzania temperaturą akumulatorów pojazdów elektrycznych po oświetlenie LED, urządzenia medyczne, takie jak maszyny MRI, a nawet komponenty satelitarne. Zapotrzebowanie na lepsze, mniejsze i lżejsze rozwiązania termiczne będzie rosło tylko w miarę, jak urządzenia będą coraz mocniejsze i cieńsze, a folia grafitowa będzie idealnie przygotowana, aby sprostać temu zapotrzebowaniu.
Jeśli jesteś inżynierem lub projektantem produktu pracującym nad projektem wymagającym lepszej wydajności cieplnej, zachęcam Cię do skontaktowania się z naszym zespołem w celu omówienia Twoich konkretnych potrzeb. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz cienkiej folii do urządzenia składanego, wielowarstwowego kompozytu do akumulatora o dużej mocy, czy arkusza o niestandardowym rozmiarze do zastosowań medycznych, możemy pomóc Ci znaleźć odpowiednie rozwiązanie w postaci folii grafitowej. Współpracujemy z klientami z różnych branż i zawsze chętnie testujemy partie próbek, aby upewnić się, że nasza folia spełnia Twoje wymagania. Nie wahaj się skontaktować z naszym zespołem, aby rozpocząć kolejny projekt zarządzania ciepłem — jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci stworzyć produkty, które będą działać chłodniej, dłużej i lepiej.
Referencje
- Balandina, AA (2011). Właściwości termiczne grafenu i nanostrukturalnych materiałów węglowych.Materiały natury, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y. i in. (2018). Anizotropowe przewodnictwo cieplne wysoko zorientowanych warstw grafitu.Węgiel, 134, 242-250.
- Moore, AL i Shi, L. (2014). Pojawiające się wyzwania i materiały do zarządzania ciepłem elektroniki.Materiały dzisiaj, 17(4), 163-174.
- Liu, J. i in. (2020). Kompozytowe folie grafitowe do zastosowań związanych z zarządzaniem ciepłem: przegląd.Journal of Materials Science: Materiały w elektronice, 31(24), 21357-21378.
