Grafen, jediná vrstva atomů uhlíku uspořádaných v dvourozměrné hexagonální mřížce, se od své izolace v roce 2004 stal jedním z nejslibnějších nanomateriálů. Mezi jeho mimořádnými vlastnostmi vyniká tepelná vodivost jako klíčová charakteristika, která pohání výzkum a průmyslový zájem. Grafenové topné fólie, které se skládají z jedné nebo více vrstev grafenu, vykazují hodnoty tepelné vodivosti, které daleko převyšují hodnoty tradičních materiálů pro tepelný management, jako je měď nebo hliník.

Základní principy tepelné vodivosti v grafenových vrstvách

①Krystalová struktura a mechanismy tepelného transportu

Výjimečná tepelná vodivost grafenové filmy pochází z jejich jedinečné krystalové struktury. V dokonalé grafenové mřížce tvoří každý atom uhlíku silné kovalentní sp² vazby se třemi sousedními atomy, čímž vzniká vysoce uspořádaná planární struktura. Toto uspořádání atomů minimalizuje mřížkové vibrace, které rozptylují nosiče tepla, známé jako fonony. Fonony jsou kvantované balíčky vibrační energie zodpovědné za vedení tepla v dielektrických a polovodičových materiálech a v grafenu dominují přenosu tepla díky nízké vazbě elektron-fononů v materiálu při pokojové teplotě.

V jednovrstvém grafenu se fonony mohou šířit na velké vzdálenosti, až několik mikrometrů, bez významného rozptylu, což je jev známý jako balistický transport. Tato dlouhá střední volná dráha umožňuje fononům efektivně přenášet tepelnou energii napříč materiálem. Když je více vrstev grafenu naskládáno a tvoří film, vstupují do hry interakce mezi vrstvami, jako jsou van der Waalsovy síly, které modifikují disperzní vztahy fononů a potenciálně mění tepelnou vodivost ve srovnání s jednovrstvými strukturami.

②Příspěvky fononových módů a tepelné vodivosti

Fonony v grafenových vrstvách existují v různých módech, včetně akustických a optických fononů. Akustické fonony, které zahrnují kolektivní vibrace mřížky, jsou primárními faktory tepelné vodivosti díky své nižší frekvenci a vyšší skupinové rychlosti. V rámci akustických fononů hrají odlišné role rovinné příčné a podélné módy, stejně jako ohybové módy mimo rovinu. Zejména podélné akustické fonony vykazují vysoké rychlosti a dlouhé střední volné dráhy, což z nich činí hlavní nosiče tepelné energie v grafenových topných vrstvách.

Tepelná vodivost grafenových filmů je také ovlivněna rozložením fononových energií. Při pokojové teplotě většina fononů zaujímá nízkoenergetické stavy, které odpovídají vibracím s dlouhou vlnovou délkou, jež se rozptylují méně často. Toto rozložení energie v kombinaci s vysokou rychlostí fononů v materiálu vede k ultravysoké tepelné vodivosti pozorované u vysoce kvalitních grafenových topných filmů.

I když pochopení základních konceptů vytváří základ pro poznání tepelné vodivosti grafenové vrstvy, skutečný výkon závisí na řadě praktických aspektů. Tyto prvky, mezi které patří způsob výroby materiálů a strukturální vady, značně mění hodnoty tepelné vodivosti. Proto je jejich studium důležité jak pro výzkum, tak pro vývoj aplikací.

Klíčové faktory ovlivňující tepelnou vodivost grafenových filmů

①Syntéza a metody přípravy materiálů

Metoda použitá k syntéze grafenových filmů přímo ovlivňuje jejich tepelnou vodivost. Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je široce používaná technika pro výrobu grafenových topných filmů s velkou plochou. Grafen pěstovaný metodou CVD obvykle vykazuje vysokou krystalinitu, ale faktory, jako je teplota růstu, poměr prekurzorového plynu a materiál substrátu, mohou způsobit defekty. Například grafen pěstovaný na měděných substrátech může mít lepší uniformitu než grafen pěstovaný na niklu, ale zbytkové nečistoty ze substrátu mohou snižovat tepelnou vodivost.

Mechanická exfoliace, metoda původně používaná k izolaci grafenu, produkuje vysoce kvalitní filmy s minimálními defekty, což má za následek velmi vysoké hodnoty tepelné vodivosti. Tato metoda však není škálovatelná pro průmyslové aplikace. Jiné techniky, jako je exfoliace v kapalné fázi a epitaxní růst, poskytují filmy s různým stupněm krystalinity a hustoty defektů, což přímo ovlivňuje jejich vlastnosti tepelného transportu.

②Vady, nečistoty a doping

Závady v grafenové topné fólieDefekty, včetně bodových defektů (např. vakancí, substitučních atomů), liniových defektů (např. hranic zrn) a vrásek, fungují jako rozptylovače fononů a snižují tepelnou vodivost. I malý počet defektů může výrazně zkrátit střední volné dráhy fononů. Například hranice zrn vytvořené během růstu CVD, kde se spojují samostatné grafenové domény, vytvářejí oblasti neuspořádanosti, které rozptylují fonony a snižují celkovou tepelnou vodivost.

Nečistoty, jako jsou zbytková rozpouštědla z přenosových procesů nebo adsorbované molekuly, také přispívají k rozptylu fononů. Doping, tedy záměrné zavádění cizích atomů za účelem modifikace elektrických vlastností, může mít komplexní účinky na tepelnou vodivost. Například elektronový doping může zvýšit rozptyl elektronů a fononů, zatímco některé příměsi mohou zavádět další defektní stavy, což může tepelnou vodivost snížit.

③Tloušťka filmu a počet vrstev

Počet vrstev grafenu ve filmu, často označovaný jako počet vrstev, je kritickým faktorem pro určení tepelné vodivosti. Jednovrstvý grafen vykazuje nejvyšší tepelnou vodivost s uváděnými hodnotami přesahujícími 5000 W/m·K při pokojové teplotě za ideálních podmínek. S rostoucím počtem vrstev se tepelná vodivost obecně snižuje v důsledku rozptylu fononů mezi vrstvami. Například u dvouvrstvého grafenu se tepelná vodivost obvykle pohybuje od 2000 do 4000 W/m·K v závislosti na uspořádání vrstev a síle interakce.

Tepelnou vodivost mohou ovlivnit i změny tloušťky nad rámec počtu vrstev, například ty způsobené překrývajícími se vrstvami nebo nerovnoměrným nanášením. Silnější filmy s větším počtem vrstev mohou vykazovat větší nehomogenitu, což vede k lokálnímu snížení účinnosti přenosu tepla.

Techniky měření a praktické aplikace tepelné vodivosti grafenového filmu

①Běžné techniky měření

K měření tepelné vodivosti grafenových filmů se používá několik experimentálních technik, z nichž každá je přizpůsobena různým velikostem vzorků a vlastnostem materiálu. Ramanova termometrie je bezkontaktní technika, která využívá teplotní citlivost Ramanova spektra grafenu. Když laser zahřívá grafenový film, Ramanovy píky v G-pásmu nebo 2D-pásmu se pohybují v přímce s teplotou. Vědci mohou zjistit tepelnou vodivost pozorováním tohoto posunu a výpočtem, jak se teplo vzdaluje od objektu. Tato metoda je velmi vhodná pro zjištění, jak fungují grafenové topné filmy s malou plochou nebo zavěšené grafenové topné filmy.

Metoda tepelného mostu, známá také jako metoda 3ω, zahrnuje nanesení kovového topného tělesa/teploměru na grafenový film. Střídavý proud procházející topným tělesem generuje periodické ohřev a výsledné teplotní oscilace se měří za účelem stanovení tepelné vodivosti. Tato metoda založená na kontaktu nabízí vysokou přesnost pro nanesené filmy, ale vyžaduje pečlivou přípravu vzorku, aby se zajistil dobrý tepelný kontakt mezi topným tělesem a filmem.

Mezi další techniky patří časově-doménová termoreflexe (TDTR), která využívá ultrarychlé lasery k měření tepelného transportu na nanoměřítku, a metoda zavěšených mikrozařízení, kde grafenové topné fólie jsou zavěšeny mezi zdroji tepla a tepelnými jímkami, aby se minimalizovaly vlivy substrátu. Každá metoda nám poskytuje jiný pohled na tepelnou vodivost a výsledky se obvykle trochu liší v závislosti na způsobu měření a kvalitě vzorků.

②Tepelný management

Vzhledem k tomu, že se elektronická zařízení neustále zmenšují a jejich hustota výkonu roste, stává se efektivní odvod tepla klíčovým faktorem pro prevenci snížení výkonu a selhání. Grafenové topné fólie lze integrovat do mikroprocesorů, světelných diod (LED) a baterií jako tepelné rozvodné materiály nebo rozvaděče tepla, což zlepšuje odvod tepla a prodlužuje životnost zařízení.

Mezi nově vznikající aplikace patří tepelný management v energetických systémech, jako jsou lithium-iontové baterie, kde grafenové filmy mohou pomáhat regulovat teplotu během nabíjení a vybíjení, čímž zvyšují bezpečnost a účinnost. Kromě toho se vyvíjejí tepelné kompozity na bázi grafenu, které kombinují grafenové topné filmy s polymery nebo keramikou, aby poskytovaly tepelnou vodivost přizpůsobenou specifickým průmyslovým potřebám.

Kontaktujte Shengxihong Science

Pro pokročilé technologie vytápění, kde se inovace snoubí s efektivitou, se obraťte na Shaanxi Shengxihong Science and Technology Co., Ltd.  Naše systémy na bázi grafenu zajišťují celoplošné vytápění díky vysokému výkonu filmy z uhlíkových nanotrubic, dosahující vynikajícího 83% poměru konverze v dalekém infračerveném záření a špičkové účinnosti elektrotermální konverze 99.8 %.

Pod značkou „Holy Red“ prodáváme širokou škálu produktů, včetně grafenových elektrických topných fólií, elektrických topných uměleckých děl, ohřívačů, chytrého oblečení a fyzioterapeutických pomůcek, které jsou chráněny patenty a právy duševního vlastnictví. Tyto produkty jsou podpořeny 17 patenty na užitné vzory z grafenu a více než 30 oceněními a certifikacemi na různých úrovních.

Máme řešení, která jsou vytvořena přímo pro vás, ať už potřebujete pohodlí doma, efektivitu ve svém podnikání nebo něco jiného pro specifické průmyslové potřeby. Kontaktujte nás at 1315363763@qq.com.

Reference

• Novoselov, KS, Geim, AK, Morozov, SV a kol. (2004). Vliv elektrického pole v atomově tenkých uhlíkových vrstvách. Věda, 306 (5696), 666 – 669.
• Balandin, AA, Ghosh, S., Bao, W. a kol. (2008). Vynikající tepelná vodivost jednovrstvého grafenu. Nano Letters, 8 (3), 902 – 907.
• Seol, JH, Jo, I., Moore, AL a kol. (2010). Dvourozměrný transport fononů v naneseném grafenu. Věda, 328 (5975), 213 – 216.
• Chen, Z., Li, X., Shi, L. a kol. (2012). Tepelná vodivost grafenu a nanostruktur na bázi grafenu. Advanced Materials, 24 (29), 4010 – 4025.
• Zhang, H., Li, X., & Wang, X. (2018). Grafenové filmy pěstované metodou CVD pro tepelný management: Syntéza, charakterizace a aplikace. ACS Nano, 12 (5), 4291 – 4308.