در محافل مدیریت حرارتی و اتلاف حرارت تراشهها، نانولولههای کربنی از دیرباز به عنوان «برگزیده» برای شکستن بنبست در نظر گرفته میشوند. با این حال، بسیاری از مهندسان وقتی واقعاً از آنها برای ساخت گریسها یا لنتهای رسانای حرارتی استفاده میکنند، مات و مبهوت میشوند: چگونه دادههای باورنکردنی 3000 W/mK که در ادبیات یافت میشود منجر به کمتر از 10 W/mK در دستان خود میشود؟ حتی ناامید کننده تر، تفاوت شدید در عملکرد حرارتی بین دو انتهای یک لوله است. چرا رسانایی حرارتی نانولوله های کربنی اینقدر بالاست؟ چرا تفاوت بین جهت های محوری و شعاعی اینقدر زیاد است؟ این به هیچ وجه یک مسئله ساده پارامتر مواد نیست، بلکه شامل منطق زیربنایی محدودیت کوانتومی و فیزیک فونون است. امروز، مفاهیم پر زرق و برق را کنار می گذاریم و از داده های هاردکور برای آشکار کردن کامل کارت های هدایت حرارتی CNT ها استفاده می کنیم.
1. منبع رسانش حرارتی: نانولوله های کربنی چگونه به انتقال حرارت نهایی دست می یابند؟
رسانایی حرارتی بسیار بالای نانولولههای کربنی از شبکه پیوند کووالانسی هیبرید شده sp² آنها سرچشمه میگیرد، که اجازه میدهد گرما از طریق انتقال فونون بالستیک بدون تلفات پراکندگی در مقیاس میکروسکوپی منتقل شود.
فلزات برای هدایت حرارتی به الکترون های آزاد متکی هستند، در حالی که نانولوله های کربنی به رسانش فونونی (انتقال حرارت ارتعاش شبکه) متکی هستند. چرا رسانایی حرارتی نانولوله های کربنی اینقدر بالاست؟ هسته در ساختار نورد شده ورقه گرافن کامل آنها قرار دارد که توسط پیوندهای کربنی{1} بسیار سفت و سخت تشکیل شده است. هنگامی که فونون ها (امواج ارتعاشی شبکه کوانتیزه شده) در امتداد یک دیوار لوله بدون هیچ گونه مرز دانه، نابجایی یا ناخالصی منتشر می شوند، میانگین مسیر آزاد آنها بسیار طولانی است (تا مقیاس میکرون). این «انتقال بالستیک» رایگان{4}}مقاومت حرارتی را به صفر نزدیک میکند و به آنها یک حد ذاتی هدایت حرارتی میدهد که از الماس و نقره پیشی میگیرد.
| نوع مواد | مکانیزم هدایت حرارتی | هدایت حرارتی ذاتی دمای اتاق | معنی مسیر آزاد | منبع معتبر / مرجع داده |
|---|---|---|---|---|
| نانولوله کربنی تک دیواره- (SWCNT) | حمل و نقل فونون (بالستیکی) | 3000 - 6600 W/mK | ~1 μm | علم (پاپ و همکاران) |
| نانولوله کربنی چند دیواره{{0} (MWCNT) | حمل و نقل فونون | 2000 - 3000 W/mK | صدها نانومتر | بررسی فیزیکی B |
| الماس | حمل و نقل فونون | ~2200 W/mK | ~ 300 نانومتر | کتاب ترمودینامیک کلاسیک |
| نقره/مس | انتقال الکترون | 430 / 400 W/mK | ده ها نانومتر | معیار هدایت حرارتی مواد |
2. ناهمسانگردی: چرا تفاوت بین جهت محوری و شعاعی اینقدر زیاد است؟
تفاوت عظیم در هدایت حرارتی محوری و شعاعی اساساً از عدم تقارن شدید چگالی فونون حالتها در ابعاد مختلف ناشی از اثر محصور شدن کوانتومی یک بعدی ناشی میشود و این واقعیت که جهت شعاعی فقط بر نیروهای بسیار ضعیف واندروالسی متکی است.
این نکته ای است که بسیاری از مردم درک آن را دشوار می دانند: برای یک لوله، چرا تفاوت اینقدر زیاد است؟ در جهت محوری، فونون ها با سرعت بالا در امتداد پیوندهای کووالانسی پیوسته sp² بدون مانع پرواز می کنند. در جهت شعاعی (از طریق دیواره لوله)، نه پیوند کووالانسی قوی که لایههای کربن مجاور را به هم متصل میکند و نه حالتهای فونونی منطبق وجود دارد. انتقال حرارت شعاعی فقط می تواند به نیروهای بین لایه ای بسیار ضعیف واندروالسی (شبیه به سطوح لغزنده بین لایه های گرافیت) متکی باشد. هنگامی که فونون ها در سراسر لایه ها منتشر می شوند، دچار پراکندگی شدید فونون و عدم تطابق حالت می شوند که باعث افزایش تصاعدی مقاومت حرارتی می شود. این مانند تفاوت بین بزرگراه (محوری) و باتلاق گل آلود (شعاعی) است.
| ویژگی ابعاد هدایت حرارتی | محوری | شعاعی | توضیح مکانیزم فیزیکی |
|---|---|---|---|
| مسیر انتقال حرارت | در امتداد پیوندهای کووالانسی پیوسته دیواره لوله | در میان شکافهای بین لایهای/بین{0}}لوله | تفاوت انرژی پیوند: C{0}}پیوند C (~614 کیلوژول/مول) در مقابل نیروهای واندروالس (چند کیلوژول بر مول) |
| پراکندگی فونون | بسیار ضعیف (منطقه بالستیک) | بسیار قوی (عدم تطابق فونون) | چگالی فونون شعاعی حالت ها بسیار کم است و قادر به جفت کردن ارتعاشات نیست |
| هدایت حرارتی اندازه گیری شده | >3000 W/mK | ~1.5 W/mK | مقادیر اندازه گیری شده توسط نانوتکنولوژی طبیعت |
| نسبت ناهمسانگردی | خط مبنا 1 | تا 2000:1 | مشخصه هدایت حرارتی محدود-یک بعدی |
3. مقایسه با مس/سیلیکون: چه کسی در مقیاس نانو قرار دارد؟
برخلاف مس و سیلیکون که برای هدایت گرمایی به انتقال الکترون متکی هستند، نانولولههای کربنی با مکانیزم هدایت حرارتی تحت تسلط فونون، اندازه{1}}مقاومت اثر و ویژگیهای رسانایی حرارتی{{3} بالا عایق در مقیاس نانو از خود نشان میدهند.
چرا رسانایی حرارتی نانولوله های کربنی اینقدر بالاست؟ این مزیت در مقایسه با مواد سنتی آشکارتر می شود. هدایت حرارتی مس و سیلیکون به شدت به الکترون ها وابسته است. هنگامی که پهنای خط به مقیاس نانو اتصالات تراشهها کاهش مییابد، الکترونها به شدت در سطوح و مرز دانهها پراکنده میشوند (اثر اندازه)، که باعث میشود هدایت حرارتی مس تا بیش از 50 درصد کاهش یابد. با این حال، انتقال فونون بالستیک نانولولههای کربنی به ابعاد نانومقیاس بسیار غیر حساس است و رسانایی حرارتی فوقالعاده{4} را حتی زیر 10 نانومتر حفظ میکند. در عین حال، CNT ها یا عایق الکتریکی هستند (لوله های نیمه رسانا) یا مقاومت کم-، که «عایق رسانایی حرارتی بالا» - را قادر می سازد چیزی که سیلیکون و مس مطلقاً نمی توانند به آن دست یابند.
| مقایسه رسانایی حرارتی نانودستگاه | مس | سیلیکون | نانولوله های کربنی | نتیجه گیری |
|---|---|---|---|---|
| حامل حرارت | الکترون ها | الکترون + فونون | فونون ها | CNT ها کوپلینگ گرمایش ژول ندارند |
| تضعیف مقیاس نانو | بسیار شدید (اثر اندازه) | شدید | بسیار خفیف (ضد-ضعف منطقه بالستیک) | CNT ها اولین انتخاب برای رسانش حرارتی به هم هستند |
| کوپلینگ الکتروترمال | رسانایی بالا=هدایت حرارتی بالا | متوسط | می تواند به رسانایی / عایق حرارتی بالا دست یابد | تنها راه حل برای پدهای حرارتی/ترکیبات گلدانی |
| تطبیق انبساط حرارتی | ضعیف (مستعد ترک خوردگی استرس حرارتی) | بیچاره | عالی (سازگار با ماتریس پلیمری) | داده های کاربردی آزمایشگاه شاندونگ تانفنگ |
4. معضل ماکروسکوپی: چرا هدایت حرارتی اندازه گیری شده شما همیشه بسیار کوتاه است؟
افت شدید رسانایی حرارتی نانولولههای کربنی در کامپوزیتهای ماکروسکوپی ناشی از مقاومت حرارتی تماس بین{0} عظیم بین لولهای (مقاومت کاپیتزا) است که به شدت مسیر انتقال فونون را مسدود میکند.
نظریه بسیار قوی است، اما واقعیت بسیار ضعیف است. یک لوله منفرد دارای رسانایی حرارتی محوری 3000 W/mK است، اما افزودن 5٪ به پلاستیک تنها ممکن است منجر به هدایت حرارتی کلی 1.5 W/mK شود. چرا؟ زیرا گرمای منتشر شده از طریق ماتریس باید از یک لوله به لوله دیگر بپرد. این فرآیند عبور از شکافهای{6} بین لولهها و رابطهای ضعیف واندروالس مقاومت بسیار بالایی در Kapitza ایجاد میکند. فونون ها به محض رسیدن به رابط منعکس می شوند و به هیچ وجه انتقال نمی یابند. اگر نانولولههای کربنی هنوز بهطور محکم در ماتریس آگلومره شده باشند، گرما حتی فرصتی برای ورود به لولهها ندارد و آگلومرهها به دیوارههای عایق حرارتی تبدیل میشوند.
| حالت مواد مرکب | وضعیت پراکندگی CNT | مقاومت حرارتی تماس سطحی | اثر بهبود رسانایی حرارتی ماکروسکوپی | نقاط درد خط تولید |
|---|---|---|---|---|
| مدل ایده آل | همپوشانی یک لوله-کامل | فوق العاده کم | 5wt% addition improves >500% | فقط در شبیه سازی های نظری وجود دارد |
| افزودن پودر خشک معمولی | تجمع سخت شدید | بسیار زیاد (بازتاب کامل فونون) | افزودن 5 درصد وزنی بهبود می یابد<30% | ویسکوزیته سر به فلک می کشد، پردازش آن دشوار است |
| پراکندگی اولتراسونیک خشونت آمیز | لوله های شکسته + آگلومراهای باقی مانده | متوسط | بهبود محدود و ناپایدار است | ظرفیت تولید بسیار پایین، نمی تواند مقیاس شود |
5. پیشرفت سازنده: شاندونگ تانفنگ چگونه پتانسیل رسانایی حرارتی نهایی CNT ها را ارائه می دهد؟
تکیه بر تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ که بر فناوریهای اصلی سفارشیسازی نسبت بالا و درهم تنیدگی در-جنبه{1} مسلط است، مسیر کلیدی برای عبور از سد مقاومت حرارتی تماس بین{4}لولهای و تحقق رسانایی حرارتی نهایی نانولولههای کربنی است.
از آنجایی که علت اصلی در مقاومت حرارتی سطحی و تجمع است، راه حل «همپوشانی کمتر، گسترش بیشتر» است. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. به عنوان یک تولید کننده حرفه ای CNT، کانال های هدایت حرارتی را از انتهای سنتز برای شما باز می کند:
نسبت ابعاد فوق العاده-مقاومت حرارتی را کاهش می دهد: Each time heat flow passes through a tube-end interface, half the energy is lost. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng mass-produces high-quality CNTs with aspect ratios >1500. هر چه لولهها طولانیتر باشند، گرههای همپوشانی کمتری دارند، و از دست دادن رابطهای متقاطع فونونها بهطور تصاعدی کاهش مییابد، و طولانیترین برد-شبکه هدایت حرارتی با کمترین نقاط همپوشانی ایجاد میشود.
در{0}}Situ De-درهم تنیدگی مناطق مرده عایق حرارتی را حذف میکند:شاندونگ تانفنگ با هدف قرار دادن دیوارهای عایق حرارتی ناشی از تراکم، از جریان هوای پویا اختصاصی در فناوری درهم تنیدگی-جای-استفاده میکند. پودر کرکی است و به راحتی خیس میشود، و اجازه میدهد یک-لوله تحت برش پایین در پایین دست پخش شود، مناطق مرده عایق حرارتی را کاملاً از بین ببرد و فونونها را مستقیماً عبور دهد.
تغییر و چسباندن سطح سفارشی:برای کاهش بیشتر مقاومت حرارتی سطحی بین CNTها و ماتریس رزین، شاندونگ تانفنگ سفارشیسازی گروه عملکردی سطح و خمیرهای پراکنده-جامد-محتوای بالا را ارائه میکند. از طریق پیوند شیمیایی "فرود نرم"، فونون ها به طور یکپارچه از ماتریس به بزرگراه CNT منتقل می شوند. نتایج اندازهگیریشده نشان میدهد که هدایت حرارتی ترکیبات گلدانی/گریسهای حرارتی را میتوان تا بیش از 300 درصد بهبود بخشید.
نتیجه گیری
بازگشت به سوالات اصلی: چرا رسانایی حرارتی استنانولوله های کربنیخیلی بالا چرا تفاوت بین جهت های محوری و شعاعی اینقدر زیاد است؟ این یک معجزه فیزیکی است که توسط انتقال فونون بالستیک و محصور کوانتومی یک بعدی-با هم کار میکنند. بزرگراه پیوند کووالانسی محوری و باتلاق گلی واندروالس شعاعی، ناهمسانگردی شدید آن را تشکیل میدهند. عملکرد ضعیف در برنامه های ماکروسکوپی به این دلیل نیست که CNT ها کافی نیستند، بلکه به این دلیل است که مقاومت حرارتی بین لوله ها مسیر فونون را قطع می کند. شناخت این واقعیت و تکیه بر نسبت-جنبه- بالا، در{7}}درهم تنیدگی-درجا، و فناوریهای اصلاح رابط تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ، میتواند به شما در عبور از شکاف از میکروسکوپی به ماکروسکوپی کمک کند و واقعاً نانولولههای کربنی را به میدان مدیریتی نانولولههای کربنی تبدیل کند.