Ako ste ikada držali pametni telefon koji je ostao primjetno hladniji od novijeg modela tokom jednosatnog igranja igre, ili laptop za igranje koji ne zvuči kao mlazni motor koji se pokreće usred utakmice, vjerovatno ste imali koristi od grafitnog filma – jednog od najsvestranijih materijala za upravljanje toplinom na tržištu. Kao dobavljaču grafitne folije, inženjeri, dizajneri proizvoda, pa čak i radoznali hobisti stalno mi postavljaju ovo pitanje: Kako tačno ova tanka, fleksibilna ploča od ugljika provodi toplinu mnogo bolje od gotovo bilo kojeg drugog uobičajenog materijala? To nije magija, naravno – to je čista nauka o ugljeniku, i kada je razbijete, ima savršenog smisla. Hajde da prošetamo kroz molekularnu strukturu, fiziku toplotnog transfera i zašto je grafitni film postao rešenje za sve, od EV baterija do vrhunskih slušalica.
Prvo, krenimo od toga šta je grafit u stvari, jer tu živi sva magija koja provode toplotu. Većina ljudi zna grafit kao materijal u olovci za olovke, ali to je jako komprimirana mješavina grafitne gline i veziva, a ne čisti, visoko uređeni grafit koji se koristi za termičke primjene. Pravi grafit je oblik ugljika koji se prirodno slaže u šesterokutnu rešetku saća, poput ploče kokošje žice, sa svakim atomom ugljika čvrsto vezan za tri susjedna atoma ugljika. To se zove sloj grafena - sloj ugljika debljine jednog atoma koji je već jedan od najboljih provodnika topline poznatih čovjeku. Kada složite milione ovih slojeva grafena jedan na drugi, sa slabim van der Waalsovim silama koje ih drže zajedno, dobićete masivni grafit. Ali za termičku upotrebu, uzimamo tu prirodnu strukturu i usavršavamo je kako bismo stvorili različite tipove grafitnog filma, od kojih je svaki prilagođen specifičnim slučajevima upotrebe. Na primjer, našNanographite filmnapravljen je od manjih, ujednačenijih ljuskica grafena, što mu daje izuzetnu toplotnu provodljivost u ravni, dok ostaje dovoljno tanak i fleksibilan da stane u uske prostore.
Sada, ključ supermoći grafita koji provodi toplotu leži u toj heksagonalnoj rešetki i načinu na koji se toplota kreće kroz nju. Toplota je u suštini vibracija atoma i molekula – kada se materijal zagrije, njegovi atomi se brže potresaju i ta energija se mora prenijeti na susjedne atome da bi se proširila. U većini materijala taj prijenos je spor jer su atomske veze nepravilne ili neuredne, što stvara "tačke raspršivanja" gdje se energija vibracija gubi. Uzmimo metale, na primjer: bakar je dobar provodnik, ali njegova atomska struktura nije savršeno ujednačena, tako da se dio toplinske energije raspršuje kao električni otpor ili zvučni valovi umjesto da se kreće kroz materijal. Grafitna struktura u ravni je, međutim, gotovo savršeno uređena. Te jake kovalentne veze ugljik-ugljik u slojevima grafena znače da se vibracije (zvane fononi, za štrebere fizike) kreću gotovo neometano duž ravni grafitnog lima. To je poput autoputa bez znakova za zaustavljanje ili semafora - toplina može kliziti u pravcu u ravnini pri brzinama do 2000 W/m·K, što je mnogo više od bakrenih oko 401 W/m·K. Zbog toga je grafitni film toliko efikasan u ravnomjernom širenju topline po površini, umjesto da ga pušta u vrućim tačkama.
Evo gdje postaje još zanimljivije: toplotna provodljivost grafita je vrlo anizotropna, što je fensi način da se kaže da vrlo dobro provodi toplinu u jednom smjeru, ali slabo u drugom. Smjer u ravnini (duž slojeva grafena) je mjesto gdje se događa svo kretanje fonona, ali smjer kroz ravninu (okomito na slojeve) je mjesto gdje slabe van der Waalsove sile drže ploče grafena zajedno, a te sile su mnogo slabije, tako da se fononi neprestano raspršuju. To znači da se toplota ne kreće okomito kroz grafitni film lako, što je zapravo karakteristika, a ne greška. Za većinu aplikacija, želite da povučete toplotu sa male žarišne tačke (poput procesora telefona) i da je rasporedite po velikoj površini da biste je raspršili, umesto da je pustite da potone ravno u unutrašnjost uređaja. NašGrafitni film koji raspršuje toplinuje dizajniran da pojača ovaj anizotropni efekat, sa 5:1 ili većim omjerom provodljivosti u ravni i kroz ravninu, što ga čini idealnim za tanke uređaje gdje je prostor na prvom mjestu.
Naravno, nisu svi grafitni filmovi jednaki. Tokom godina, razvili smo specijalizovane varijante kako bismo zadovoljili jedinstvene potrebe različitih industrija, a svaka se gradi na toj jezgri grafenske rešetkaste strukture. Za aplikacije koje zahtijevaju i visoku toplinsku provodljivost i mehaničku stabilnost, našKompozitni grafitni filmkombinuje čisti grafit s malim količinama polimernih ili keramičkih punila, koji dodaju izdržljivost i otpornost na savijanje bez žrtvovanja prijenosa topline. Ovo je savršeno za sklopive pametne telefone, gdje je fleksibilnom ekranu potrebno termalno rješenje koje neće pucati ili raslojavati se nakon hiljada preklapanja. Za aplikacije veće snage, kao što su baterije električnih vozila ili serverski procesori, kreirali smo našeVišeslojni kompozitni grafitni film, koji slaže više slojeva grafita sa tankim ljepilom između njih. Ljepilo je dizajnirano tako da ne blokira prijenos fonona, tako da dobivate kombiniranu visoku provodljivost više slojeva bez gubitka topline koji biste očekivali od običnog ljepila.
Često me pitaju zašto koristimo grafitni film umjesto običnog grafitnog papira ili masivnog grafita. Razlika se svodi na veličinu zrna i poravnanje. Kada prerađujete grafit u tanki film, možete savršeno poravnati slojeve grafena tokom proizvodnje, što maksimizira toplotnu provodljivost u ravnini. Ako samo utisnete veliki grafit u list, slojevi grafena su nasumično orijentirani, tako da je prijenos topline mnogo neravnomjerniji. NašGraphite Thin Film, na primjer, debeo je samo nekoliko mikrona, sa slojevima grafena koji su poređani na udaljenosti od 0,5 stepeni jedan od drugog, što mu daje provodljivost u ravni od preko 1800 W/m·K – skoro jednako visok kao i sam čisti sintetički grafen. To je vrsta performansi koja vam je potrebna za vrhunske grafičke kartice, gdje čak i 10% pad toplotne provodljivosti može dovesti do prigušivanja i smanjenih performansi.
Razgovarajmo o primjeru iz stvarnog svijeta kako bismo ovo učinili konkretnim. Prije nekoliko mjeseci radili smo sa startupom koji je razvijao kompaktni prijenosni punjač sa 45W čipom za brzo punjenje. Originalni dizajn koristio je bakreni hladnjak, ali je bio previše glomazan, a punjač se toliko zagrijao da ga je bilo neugodno držati. Kada su zamijenili naš grafitni film koji raspršuje toplinu, uspjeli su smanjiti veličinu hladnjaka za 60% i smanjiti temperaturu površine uređaja za 12 stepeni Celzijusa. Zašto? Bakar je širio toplotu samo nekoliko milimetara od čipa, ali grafitni film je tu istu toplotu širio po celoj gornjoj površini punjača, gde je mogao brže da se rasprši u vazduh. To je upravo anizotropno svojstvo na djelu – toplina se kreće duž grafita, a ne kroz njega, tako da se raširi umjesto da se koncentriše.
Još jedno uobičajeno pitanje: kako se grafitni film može usporediti s drugim termalnim materijalima kao što su termalna pasta, materijali za promjenu faze ili toplinske cijevi? Termalna pasta funkcioniše tako što popunjava praznine između dve površine, ali ima samo umerenu provodljivost (oko 8 W/m·K) i može se osušiti tokom vremena, gubeći performanse. Toplotne cijevi su odlične za aplikacije velike snage, ali su glomazne, lomljive i ne mogu se koristiti u vrlo malim prostorima kao što su pametni satovi ili bežične slušalice. Grafitni film je tanak, fleksibilan, lagan i ima mnogo veću provodljivost od paste. Jedina mana je to što nije tako dobar u prenošenju toplote kroz prazninu, pa ga obično uparite sa malom količinom termičkog lepka da biste napravili kompletan materijal za termalni interfejs (TIM).
Sada, pređimo na stranu proizvodnje, jer tu prerađujemo grafit iz njegovog sirovog oblika u film visokih performansi na koji se naši kupci oslanjaju. Proces počinje ili sintetičkim poliakrilonitrilom (PAN) ili prirodnim grafitnim pahuljicama. Pročišćavamo sirovinu kako bismo uklonili nečistoće kao što su ioni sumpora i metala, koji bi stvorili tačke raspršenja za fonone i smanjili provodljivost. Zatim širimo grafit na visokim temperaturama, koji razdvaja slojeve grafena. Zatim prerađujemo ekspandirani grafit u kašu, izlijemo ga u tanke listove i komprimiramo pod visokim pritiskom kako bismo poravnali slojeve grafena. Za naš film od nanografita koristimo manje, ujednačenije ljuspice kako bismo postigli još bolje poravnanje, dok naš višeslojni film dodaje sekundarni korak kompresije kako bi se osiguralo da su slojevi savršeno naslagani. Svaka serija se testira na toplotnu provodljivost, debljinu i fleksibilnost kako bismo bili sigurni da ispunjava naše stroge standarde.
Kao dobavljač grafitne folije, vidio sam kako je ovaj materijal evoluirao u protekloj deceniji. Prije deset godina, grafitna folija se uglavnom koristila u pametnim telefonima i maloj potrošačkoj elektronici, ali sada se koristi u svemu, od upravljanja toplinom baterija EV do LED rasvjete, medicinskih uređaja kao što su MRI aparati, pa čak i satelitskih komponenti. Potražnja za boljim, manjim, lakšim termalnim rješenjima samo će rasti kako uređaji postaju sve snažniji i tanji, a grafitni film je savršeno pozicioniran da zadovolji tu potražnju.
Ako ste inženjer ili dizajner proizvoda koji radi na projektu kojem su potrebne bolje termalne performanse, preporučujem vam da se obratite našem timu kako biste razgovarali o vašim specifičnim potrebama. Bilo da vam je potreban tanak film za sklopivi uređaj, višeslojni kompozit za bateriju velike snage ili list prilagođene veličine za medicinsku primjenu, možemo vam pomoći da pronađete pravo rješenje grafitnog filma. Radimo sa kupcima u različitim industrijama i uvijek rado testiramo serije uzoraka kako bismo bili sigurni da naš film odgovara vašim zahtjevima. Ne ustručavajte se kontaktirati naš tim kako biste započeli svoj sljedeći projekt upravljanja toplinom — mi smo tu da vam pomognemo da napravite proizvode koji rade hladnije, traju duže i rade bolje.
Reference
- Balandin, AA (2011). Toplinska svojstva grafena i nanostrukturiranih ugljičnih materijala.Prirodni materijali, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y., et al. (2018). Anizotropna toplotna provodljivost visoko orijentisanih grafitnih filmova.Karbon, 134, 242-250.
- Moore, AL, i Shi, L. (2014). Novi izazovi i materijali za termičko upravljanje elektronikom.Materijali danas, 17(4), 163-174.
- Liu, J., et al. (2020). Kompozitni grafitni filmovi za primjenu upravljanja toplinom: pregled.Časopis za nauku o materijalima: Materijali u elektronici, 31(24), 21357-21378.
