Kāpēc oglekļa nanocauruļu siltumvadītspēja ir tik augsta?

Termiskās pārvaldības un mikroshēmas siltuma izkliedes aprindās oglekļa nanocaurules jau sen tiek uzskatītas par "izredzētajām", lai izkļūtu no strupceļa. Tomēr daudzi inženieri ir apmulsuši, kad viņi tos izmanto, lai izgatavotu siltumvadošās smērvielas vai spilventiņus: kā literatūrā atrodamie neticamie dati par 3000 W/mK var radīt mazāk nekā 10 W/mK viņu pašu rokās? Vēl vairāk nomākta ir ārkārtējā siltuma veiktspējas atšķirība starp vienas caurules diviem galiem. Kāpēc oglekļa nanocauruļu siltumvadītspēja ir tik augsta? Kāpēc atšķirība starp aksiālo un radiālo virzienu ir tik liela? Tas nekādā ziņā nav vienkāršs materiāla parametru jautājums, bet ietver kvantu norobežojuma un fononu fizikas pamatā esošo loģiku. Šodien mēs noliksim malā spilgtas koncepcijas un izmantosim pamatdatus, lai pilnībā atklātu CNT siltumvadītspējas kartes.

1. Siltumvadītspējas avots: kā oglekļa nanocaurules nodrošina maksimālu siltuma pārnesi?

Oglekļa nanocauruļu ārkārtīgi augstā siltumvadītspēja rodas no to perfektā sp² hibridizētā kovalento saišu tīkla, kas ļauj pārvadīt siltumu, izmantojot ballistisko fononu transportu, gandrīz bez izkliedes zudumiem mikroskopiskā mērogā.

Metāli siltuma vadītspējai paļaujas uz brīvajiem elektroniem, savukārt oglekļa nanocaurules balstās uz fononu vadītspēju (režģa vibrācijas siltuma pārnesi). Kāpēc oglekļa nanocauruļu siltumvadītspēja ir tik augsta? Kodols slēpjas to perfektajā grafēna loksnes velmētajā struktūrā, ko veido ārkārtīgi stingras oglekļa-oglekļa saites. Kad fononi (kvantētie režģa vibrācijas viļņi) izplatās pa vienu caurules sienu bez graudu robežām, dislokācijām vai piemaisījumiem, to vidējais brīvais ceļš ir ārkārtīgi garš (līdz mikronu skalai). Šis izkliedes -brīvais "ballistiskais transports" padara termisko pretestību tuvu nullei, nodrošinot tiem raksturīgo siltumvadītspējas robežu, kas pārsniedz dimantu un sudrabu.

2. Anizotropija: kāpēc atšķirība starp aksiālo un radiālo virzienu ir tik liela?

Milzīgās aksiālās un radiālās siltumvadītspējas atšķirības pamatā ir dažādu dimensiju stāvokļu fononu blīvuma galējās asimetrijas, ko izraisa vienas-dimensijas kvantu ierobežojuma efekts, un fakta, ka radiālais virziens ir atkarīgs tikai no ārkārtīgi vājiem van der Vālsa spēkiem.

Daudziem cilvēkiem ir grūti saprast šo jautājumu: kāpēc vienai un tai pašai caurulei atšķirība ir tik liela? Aksiālā virzienā fononi lielā ātrumā lido pa nepārtrauktām sp² kovalentajām saitēm bez šķēršļiem. Radiālajā virzienā (caur caurules sieniņu) nav ne spēcīgu kovalento saišu, kas savieno blakus esošos oglekļa slāņus, ne arī atbilstošu fononu režīmu. Radiālā siltuma pārnese var paļauties tikai uz ārkārtīgi vājiem starpslāņa van der Vālsa spēkiem (līdzīgi kā slīdošajām plaknēm starp grafīta slāņiem). Kad fononi izplatās pa slāņiem, tie cieš no nopietnas fononu izkliedes un režīma neatbilstības, izraisot termiskās pretestības eksponenciālu pieaugumu. Tā ir kā atšķirība starp šoseju (aksiālo) un dubļainu purvu (radiālo).

3. Salīdzinājums ar varu/silīciju: kas ir pakļauts nanomērogam?

Atšķirībā no vara un silīcija, kuru siltuma vadītspēja balstās uz elektronu transportu, oglekļa nanocaurulēm, kuru siltuma vadīšanas mehānismā dominē fonons-, ir izcila izmēra-efekta pretestība un augstas izolācijas -termiskās{3}}vadītspējas īpašības nanomērogā.

Kāpēc oglekļa nanocauruļu siltumvadītspēja ir tik augsta? Priekšrocības kļūst skaidrākas, salīdzinot ar tradicionālajiem materiāliem. Vara un silīcija siltumvadītspēja ir ļoti atkarīga no elektroniem. Kad līnijas platums samazinās līdz mikroshēmu savienojumu nanomērogam, elektroni spēcīgi izkliedējas pa virsmām un graudu robežām (izmēra efekts), izraisot vara siltumvadītspējas samazināšanos par vairāk nekā 50%. Tomēr CNT ballistisko fononu transportēšana ir ārkārtīgi nejutīga pret nanomēroga izmēriem, saglabājot īpaši augstu siltumvadītspēju pat zem 10 nm. Tajā pašā laikā CNT ir vai nu elektriski izolējošas (pusvadošās caurules) vai zemas -pretestības, kas ļauj "izolēt augstu siltumvadītspēju" -, ko silīcijs un varš absolūti nevar sasniegt.

4. Makroskopiskā dilemma: kāpēc jūsu izmērītā siltumvadītspēja vienmēr ir ļoti zema?

Oglekļa nanocauruļu siltumvadītspējas kraso kritumu makroskopiskajos kompozītmateriālos izraisa milzīgā starp{0}}cauruļu kontakta termiskā pretestība (Kapitzas pretestība), kas nopietni bloķē fononu transportēšanas ceļu.

Teorija ir ārkārtīgi spēcīga, bet realitāte ir ārkārtīgi vāja. Vienai caurulei aksiālā siltumvadītspēja ir 3000 W/mK, bet, pievienojot plastmasai 5%, kopējā siltumvadītspēja var būt tikai 1,5 W/mK. Kāpēc? Tā kā siltumam, kas izplatās caur matricu, jālec no vienas caurules uz otru. Šis process, kurā tiek šķērsotas starp-cauruļu spraugas un vājās van der Vālsa saskarnes, rada ārkārtīgi augstu Kapicas pretestību. Fononi tiek atspoguļoti atpakaļ, tiklīdz tie sasniedz saskarni, un tie vispār netiek pārraidīti. Ja CNT joprojām ir cieši aglomerēti matricā, siltumam pat nav iespējas iekļūt caurulēs, un aglomerāti kļūst par siltumizolācijas sienām.

5. Izrāviens no ražotāja: kā Shandong Tanfeng nodrošina CNT maksimālo siltumvadītspējas potenciālu?

Paļaušanās uz avota ražotāju, piemēram, Shandong Tanfeng, kurš pārvalda pamattehnoloģijas augstas{0}}aspekta-attiecības pielāgošanai un in-situ de{3}}sapīšanai, ir galvenais ceļš, lai šķērsotu starp-cauruļu kontaktu termiskās pretestības barjeru un realizētu oglekļa nanocauruļu maksimālo siltumvadītspēju.

Tā kā galvenais iemesls ir saskarnes termiskā pretestība un aglomerācija, risinājums ir "mazāk pārklāšanās, vairāk izplatīšanās". Kā profesionāls CNT ražotājs Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. atver jums siltuma vadīšanas kanālus no sintēzes beigām:

Īpaši-Augsta malu attiecība samazina termisko pretestību: 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. Jo garākas ir lampas, jo mazāk mezglu pārklājas, un fononu zudums, kas šķērso saskarnes, samazinās eksponenciāli, veidojot visgarākā diapazona siltumvadīšanas tīklu ar vismazāko pārklāšanās punktu.

In-Situ De{1}}sapinīšanās novērš siltumizolācijas mirušās zonas:Saistībā ar siltumizolācijas sienām, ko izraisa aglomerācija, Shandong Tanfeng izmanto patentētu dinamiskas gaisa plūsmas in-situ de-sapināšanās tehnoloģiju. Pulveris ir pūkains un viegli mitrināms, ļaujot vienai-caurulei izplatīties zem zemas bīdes, pilnībā novēršot siltumizolācijas mirušās zonas un ļaujot fononiem iziet cauri.

Pielāgota virsmas modifikācija un ielīmēšana:Lai vēl vairāk samazinātu saskarnes termisko pretestību starp CNT un sveķu matricu, Shandong Tanfeng nodrošina virsmas funkcionālo grupu pielāgošanu un augsta -cieta- satura iepriekš izkliedētas pastas. Izmantojot ķīmisko savienojumu "mīksto piezemēšanos", fononi tiek nemanāmi pārvietoti no matricas uz CNT šoseju. Izmērītie rezultāti liecina, ka sēšanas maisījumu/termisko smērvielu siltumvadītspēju var uzlabot par vairāk nekā 300%.

Secinājums

Atgriežoties pie galvenajiem jautājumiem: kāpēc siltumvadītspēja iroglekļa nanocaurulestik augstu? Kāpēc atšķirība starp aksiālo un radiālo virzienu ir tik liela? Tas ir fizisks brīnums, ko rada ballistisko fononu transports un vienas{0}}dimensijas kvantu ierobežojums, kas darbojas kopā. Aksiālās kovalentās saites lielceļš un radiālais van der Vālsa dubļu purvs veido tā galējo anizotropiju. Sliktā veiktspēja makroskopiskajās lietojumprogrammās nav tāpēc, ka CNT ir nepietiekami, bet gan tāpēc, ka starpcauruļu termiskā pretestība pārtrauc fononu ceļu. Atzīstot šo realitāti un paļaujoties uz augsto-aspekta-attiecību, in-situ de-sapināšanās un saskarnes modifikācijas tehnoloģijām, ko piedāvā tāda avota ražotāja kā Shandong Tanfeng, var palīdzēt pārvarēt plaisu no mikroskopiskām uz makroskopiskām, padarot oglekļa nanocaurules par galveno termiskās pārvaldības ieroci.