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石墨烯的導熱特性有哪些?今後的運用前景會是怎樣的?墨烯和少層石墨烯獨特的導熱特性的發現推動了全球範圍内的研究活動,重點是

作者:顧煜祺

石墨烯的導熱特性有哪些?今後的運用前景會是怎樣的?

墨烯和少層石墨烯獨特的導熱特性的發現推動了全球範圍内的研究活動,重點是創造高效的石墨烯基熱界面材料。

現代電子技術的進步大大提高了半導體密度,這為功能的大幅增加鋪平了道路,同時也需要更好的熱管理技術。

電力電子裝置的出現及其小型化也促使人們尋找處理高發電量的新方法。

由于工作溫度的升高,電子裝置的裝置不穩定性有所增加,有效管理電子裝置的散熱對于電子技術的持續進步至關重要。

雖然濕度、灰塵和振動會導緻裝置故障,但它們的影響相對較小,而溫度升高會導緻約55%的裝置故障,是以限制了技術改進。

使用具有高導熱性和低接觸熱阻的有效熱界面材料(TIM)對于管理電子裝置中的過熱非常重要。

通常,具有固體散熱器的電子裝置在結處會受到熱界面電阻的影響。TIM層應用于器件和散熱器之間,否則實際接觸的總表面積隻有2%或更少。

兩個固體表面之間接觸表面積的減少主要是由于接觸界面處的表面粗糙度不均勻。

兩個表面之間形成的空腔充滿空氣,其在室溫(RT)下的導熱系數很低,約為0.026W/mK。

使用具有更高導熱性和低接觸電阻的TIM可改善電子裝置的熱管理,開發可提供較低熱阻的TIM是電子裝置中有效散熱的熱管理方法的重要組成部分

TIM性能可以通過使用合适的基礎聚合物和摻入的導熱填料來提高。在開發TIM時,應牢記聚合物和填料之間存在Kapitza電阻。

實際應用中還需要考慮TIM的其他性能參數,電絕緣和機械性能以及可靠性和成本效益起着重要作用。

最常用的TIM類型包括未固化、固化、導熱墊和相變材料,未固化的TIM可通過填充兩個不平坦表面之間形成的空隙來有效地替換結構中的過量空氣。

石墨烯通過揭示不尋常的電學和光學性質而引起關注,拉曼光譜有助于驗證石墨烯的品質和确定少層石墨烯(FLG)中原子平面的數量。

石墨烯的G峰較窄且對溫度敏感,石墨烯和FLG獨特的熱傳導特性是在拉曼光譜的幫助下發現的,使用光熱拉曼技術,後來通過各種其他實驗和理論研究進一步檢驗。

高品質單晶石墨烯的熱導率在室溫附近測量為∼2000W/mK–5000W/mK,FLG中的熱傳輸受橫向尺寸和厚度的強烈影響。

在電子産品的熱管理中,人們通常會根據導熱性和成本尋找最佳TIM,但是,所選TIM可能不是特定應用以及電子裝置和散熱器材料的最佳選擇。

盡管單層石墨烯(SLG)具有優異的固有導熱性,但使用FLG作為TIM的填料在實際應用中更有前景。

這是因為FLG具有更大的橫截面積,與基材基體混合時降解更少,與基體保持機械穩定性,并且批量生産成本低。

對具有随機取向的低填充填料的石墨烯-FLG填料固化環氧TIM的初步研究表明,熱導率提高了25倍。

在基礎聚合物中加入石墨烯填料可将固化TIM的熱導率提高至~12.5W/mK和非固化TIM的~7.1W/mK,這超過了市售的值TIM。

當通過标準TIM測試儀方法以薄膜形式測量時,商用TIM的熱導率值通常在1W/mK到6W/mK之間。

利用與填料結合良好的适當基礎聚合物基質,有助于提高石墨烯TIM的整體導熱性。

這也被證明對這種石墨烯-FLG填料TIM在整個功率循環過程中的熱性能具有積極影響。

TIM層的整體熱導率是性能的一個重要因素,但還應解決TIM在特定表面上的順應性和擴散問題。

使用具有高導熱性和低熱接觸電阻(TCR)的TIM對于TIM的熱性能至關重要,并最終延長電子裝置的使用壽命。

石墨烯填料TIMs的多項研究集中在鉀噸我米和所制備的複合材料的熱擴散率作為函數F 。

當使用各種填料或具有不同尺寸分布的相同類型的填料時,很少有研究關注熱滲流(類似于電滲流)。

對于導電填料複合材料,有據可查的是,電滲流門檻值取決于填料縱橫比和尺寸。

關于影響的研究數量有限大号對合成石墨烯填料複合材料的熱導率的影響已被記錄在案。

雖然最初對石墨烯的興趣源于其獨特的電子特性,但現在人們普遍認為石墨烯和少層石墨烯的高導熱性也非常有趣并且在實際應用中很有前途。

石墨烯和FLG在複合材料中的使用不僅限于熱管理。它也被用于電磁幹擾(EMI)屏蔽。

石墨烯複合材料通常可以在EMI屏蔽和熱管理方面發揮雙重功能,應該記住,非電子應用中的術語石墨烯通常是指石墨烯和FLG的混合物。

熱管理應用對石墨烯純度和結晶度的要求不像利用石墨烯電子或光學特性的應用那樣嚴格。

是以,通過LPE工藝擴大到石墨烯和FLG生産的工業水準是可行的。

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