Grafen Termal İlrişik Malzemelerin Araştırma İlerlemesi
1. Grafen termal filmin araştırma durumu
Grafen, SP2 hibrid yapıya sahip karbon içeren altı üyeli bir halka yapısıdır ve çeşitli fiziksel ve kimyasal özellikler çok kararlıdır. Bakır ve alüminyum gibi geleneksel metal malzemelerle karşılaştırıldığında, grafen daha yüksek düzlem içi termal iletkenliğe sahiptir. Özel yapısı nedeniyle, grafen daha düşük yoğunluğa, iyi termal stabiliteye, ultra yüksek elektrik iletkenliğine, mükemmel ışık geçirgenliğine ve daha iyi mekanik özelliklere sahiptir. Grafen, termal iletken malzemelerin katkı bileşeni olarak ideal bir seçimdir. Aynı zamanda, grafen film elektronik bileşenlerde ısı emici olarak kullanılabilir, ısı üretmesi kolay elektronik bileşenlerin yüzeyine tutturulur ve ısı kaynağı tarafından üretilen ısıyı eşit şekilde dağıtır. Bunlar arasında en yüksek ısı iletkenliği ve en iyi ısı dağılımı etkisi, poliimid filmden grafitizasyon işlemi ile elde edilen yapay grafit termal iletken filmdir. Düzlem yönünde termal iletkenlik 700 ~ 1950Wφ m-1 ⭐K-1'e ulaşabilir ve kalınlık iyi termal iletkenlik ile 10 ~ 100 μm'dir.
Wang Wen ve arkadaşları polipropilene grafen nanosheets ekledi, bu da ısı iletkenliğini 14 kata kadar artırabilir. Chen ve ark. grafen/selüloz nanofiber kompozit filmin termal iletkenliğini ve mekanik özelliklerini büyük ölçüde artıran vakum filtrasyonu yoluyla grafen ve nanoselüloz bileşik. Song ve ark. grafen ve nanoselülozu bir selüloz/azaltılmış grafen oksit hibrid film halinde katman katman kendi kendine montaj yoluyla birleştirerek çok sıralı katmanlı bir yapı gösterdi. Bununla birlikte, matris ve grafen kombinasyonu çok fazla enerji tüketir ve büyük ölçekli üretim elde edemez.
Bu bağlamda yüksek ısı iletkenliği grafen filmlerin incelenmesi iki önemli anlama sahiptir. Bunlardan biri, yapay grafit filmlerin yüksek maliyeti ve yüksek kaliteli poliimid filmlerin hazırlanmasının zorluğu nedeniyle, endüstrinin yüksek ısı iletkenliği grafen filmlerin alternatif plan olarak kullanılabileceğini ummasıdır. İkincisi, elektronik ürünlerde artan ısı dağılımı talebi nedeniyle, yeni ısı dağılımı çözümleri sadece termal iletken filmin yüksek ısı iletkenliğini değil, aynı zamanda düzlem yönünde ısı iletim akısını artırmak için termal iletken filmin belirli bir kalınlığını gerektirir. Yapay grafit filmde, poliimid moleküler yönelim derecesi nedeniyle, grafitize poliimid termal iletken film sadece kalınlık küçük olduğunda daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Grafen termal filmin, yeni elektronik cihazların termal yönetim sisteminde iyi uygulama beklentilerine sahip kalın bir termal film (~100 μm) haline getirmek kolaydır.
2. Grafen Film Kalınlığı Üzerine Teknik Araştırma
Daha kalın grafen termal iletken filmin hazırlanması şu anda sıcak bir araştırma konusudur. Teorik olarak konuşursak, grafen filminin kalınlığını artırmak için sadece daha kalın bir grafen oksit filmi uygulanabilir. Bununla birlikte, fiili operasyonda aşağıdaki sorunlar vardır: (1) Bıçak kaplama ile oluşan kalın filmin kalitesi yüksek değildir. Grafen oksit dağılımının düşük konsantrasyonu nedeniyle (%10'dan az), grafen oksitin geri kalanı buharlaşması uzun zaman gerektiren sudur. Grafen oksit pulları hidrojen bağları yoluyla su molekülleriyle etkileşime girer ve su molekülleri buharlaştıklarında kaçarlar, böylece grafen oksit pulları hidrojen bağları aracılığıyla çapraz bağlantılar oluşturur ve yüzeyde "süt derisi" benzeri bir film oluşturur. Bu ince film, grafen oksit dağılımı içindeki suyun buharlaşmasını yavaşlatır ve grafen oksit tabakasının tutarsız bir yönlendirmeye sahip olmasına neden olur ve bu da filmin kalitesini düşürür.
(2) Tek adımlı bir yöntemle kalın bir film elde etmek zordur. Grafen oksit dağılımının düşük konsantrasyonu nedeniyle, bıçak kaplama, spin kaplama veya püskürtme gibi yöntemlerden bağımsız olarak bir seferde ~ 100μm kalınlığında bir grafen oksit filmi hazırlamak imkansızdır. Luo ve arkadaşları, grafen oksit filminin kuruluğa buharlaştıktan sonra deiyonize su sızması koşulu altında hala birbirine bağlanabileceğini buldu. Bu fenomen, grafen oksit katmanlarının suyun etkisi altında hidrojen bağları yoluyla birbirine bağlanması nedeniyle ortaya çıkar. Böylece grafen oksit filmi kağıt gibi yapıştırılabilir. Zhang ve arkadaşları, hazırlanan grafen oksit filmini suda şişirmek ve katman katman yapıştırmak için benzer bir yöntem kullandı. Kurutma, sıcak presleme, grafitizasyon ve soğuk preslemeden sonra, 200 μm kalınlığında ultra kalın bir grafen film elde edildi. 1224 W•m-1⭐K-1'dir ve kızılötesi kamera tarafından ölçülen ısı dağılımı etkisi bakır, alüminyum ve ince katmanlı grafen termal filmden daha iyidir. Şu anda, 100 mikron kalınlığında yüksek ısı iletkenliği grafen filmlerinin hazırlanması konusunda nispeten az çalışma vardır. Şişlik ve yapıştırmaya ek olarak, grafen oksit filmlerinin üst üste binişleri elektrikli ısıtma ve metal iyon yapıştırma gibi yöntemlerle de elde edilebilir. Mikron kalınlığı ve yüksek ısı iletkenliğine sahip grafen film yeni fikirler sağlar.
3. Outlook
Büyük ölçekli grafen hazırlama teknolojisinin gelişmesiyle grafen oksit yöntemine dayalı olarak hazırlanan son derece termal iletken grafen filmin ısı iletkenliği 2000W'a ulaşabilir.m-1⭐K-1. Yüksek ısı iletkenliği grafen filminin termal iletkenliği, endüstriyel uygulamalar için yüksek kaliteli grafitize poliimid filme eşdeğerdir ve daha düşük maliyete ve daha iyi kalınlık kontrol edilebilirliğine sahiptir. Aynı zamanda, grafen, iki boyutlu termal iletken bir dolgu maddesi olarak, bir polimer matriste üç boyutlu termal iletken ağ oluşturmak kolaydır ve termal arayüz malzemelerinde iyi uygulama beklentilerine sahiptir. Polimer matristeki grafen dağılımını iyileştirerek ve üç boyutlu bir grafen termal iletkenlik ağı oluşturarak, grafen dolu termal arayüz kompozitlerinin termal iletkenliği polimerlerden birkaç kat daha yüksektir ve dolgu oranı geleneksel termal iletken dolgu maddelerinden daha düşüktür. İster kendi kendini destekleyen termal iletken film olarak ister termal arayüz malzemeleri için termal iletken dolgu maddesi olarak kullanılan grafen, yeni nesil elektronik bileşen ısı dağılımı uygulamalarında önemli bir rol oynayacaktır.
