למד על חומרי פחמן עם מוליכות תרמית גבוהה

גופי קירור מתכתיים קודמים (אלומיניום, נחושת) מתקשים לענות על הצרכים של פיזור חום עקב בעיות של צפיפות גבוהה, מקדם התפשטות תרמית גבוה וחומרים לא טהורים. עם ההתפתחות המהירה של המדע והטכנולוגיה, תעופה וחלל, תקשורת לוויינית, מחשבים מהירים ותחומים אחרים נותנים יותר ויותר תשומת לב לנושאי פיזור חום, ומוצגות דרישות גבוהות יותר לחומרי ניהול תרמיים.

בגלל הצפיפות הנמוכה, החוזק הגבוה, המוליכות התרמית הגבוהה והעמידות הכימית שלו, חומרי פחמן צפויים להחליף את חומרי המתכת הקודמים ולהפוך לדור חדש של חומרים מוליכות תרמית גבוהה.

הולכת החום של חומרי פחמן מתממשת בעיקר על ידי רטט תרמי של אטומי סריג. סוג סיבי הפחמן, סוג המטריצה, צפיפות, קיבולת חום סגולית, דרגת גרפיטיזציה, מבנה פריפורם, חלק נפח הסיבים, טמפרטורת טיפול בחום/טמפרטורת גרפיטציה וכו' משפיעים על חומרי פחמן הגורם העיקרי של מוליכות תרמית.

כיום, ישנם בעיקר שלושה סוגים של חומרי פחמן עם מוליכות תרמית גבוהה:

1. חומר יהלום

נכון להיום, ידוע שליהלום טבעי הוא בעל המוליכות התרמית הגבוהה ביותר מבין חומרים טבעיים, והמוליכות התרמית שלו בטמפרטורת החדר היא כ-2000 עד 2100W/(m∙K). יחד עם זאת, היהלום הוא גם מבודד טוב וחומר מצע אידיאלי לפיזור חום. נכון לעכשיו, לסרט פחמן היהלום שהוכן בשיטת שיקוע אדים כימי יש את היתרונות של איכות גבוהה ועלות נמוכה.

2. חומר גרפיט

גרפיט מורכב משש פני פריזמה ושני פנים בסיס צפופים. הוא שייך למבנה המשושה והוא מחולק בעיקר לשתי קטגוריות: גרפיט טבעי וגרפיט מלאכותי. המוליכות התרמית של גרפיט רגיל בטמפרטורת החדר היא רק 70 עד 150W/(m∙K), בעוד המוליכות התרמית של גרפיט טבעי על מישור הגביש 002 בטמפרטורת החדר יכולה להגיע ל-2200W/(m∙K). המוליכות התרמית על פני השטח הגיעה גם ל-2000W/(m∙K).

3. חומרי גרפן

חומר הגרפן מורכב ממבנה מישורי דו מימדי המורכב משכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים באופן הדוק במשושה רגיל. זוהי צורת חלת דבש והיא שכבה אחת של חומר פני השטח של אטומי פחמן המקלף מגרפיט. שיטת פילינג מיקרו-מכנית, שיטת גידול אפיטקסיאלית, שיטת השקת אדים כימית ושיטת הפחתת גרפן תחמוצת כימית הן שיטות ההכנה העיקריות של גרפן. המוליכות התרמית של טמפרטורת החדר של גרפן מרחף חד-שכבתי יכולה להגיע ל-3000 עד 5300W/(m∙K) ).

לאטומי פחמן יש סידור מיוחד. לחומרי פחמן נפוצים יש מבנה עצום ואנזיטרופיה של מוליכות תרמית, כלומר, יש להם מוליכות תרמית גבוהה לכיוון מישורי הגביש הגרפיט, בעוד שהמוליכות התרמית בין מישורי הגביש קטנה מאוד. הכיוון המועדף מגביל את המוליכות התרמית שלו בכיוון העובי.

עם זאת, לא ניתן להתעלם מהיתרונות של חומרי פחמן. חומרי הניהול התרמיים העושים שימוש באיזונים שלהם מתאימים במיוחד לפיזור חום מרכיבים בעלי שטפי חום גדולים בחללים קטנים, ויכולים לעמוד בדרישות הפיתוח של רכיבים אלקטרוניים מהדור הבא, ובעלי משמעות רבה לפיתוח של תעשייה מודרנית, הגנה לאומית וטכנולוגיה גבוהה.