Research Progress of Graphene Thermal Conductive Materials
1. Istraživački status termalnog filma grafena
Graphene je šestočlana prstenasta struktura koja sadrži ugljik sa hibridnom strukturom SP2, a različita fizička i hemijska svojstva su vrlo stabilna. U poređenju sa tradicionalnim metalnim materijalima kao što su bakr i aluminij, grafen ima veću toplotnu provodljivost u avionu. Zbog svoje posebne strukture, grafen ima nižu gostotu, dobru toplinsku stabilnost, ultra-visoku električnu provodljivost, odličnu svjetlosnu transmitanciju i bolja mehanička svojstva. Graphene je idealan izbor kao dodatak komponenti termički provodnih materijala. U isto vrijeme, graphene film se može koristiti kao toplotni sudoper u elektronskim komponentama, pričvršćen za površinu elektronskih komponenti koje su lako generirane topline, te jednako rasprši toplotu koju stvara izvor topline. Među njima, najviše toplinske provodljivosti i najboljeg efekta disipacije topline je vještački grafit termalni provodljivi film dobiven od poliimidnog filma kroz proces grafitizacije. Toplotna provodljivost u smjeru aviona može dostići 700~1950W 1000 M-1-K-1, a debljina je 10~100 μm, uz dobru toplinsku provodljivost.
Wang Wen et al. je dodao grafene nanošete u polipropilen, što može povećati njegovu toplinsku provodljivost za samo 14 puta. Chen et al. je kompozitirao grafen i nanoceluloza kroz vakuumsku filtraciju, što je uveličalo toplinsku provodljivost i mehanička svojstva grafena/celuloze nanofiber kompozitnog filma. Song et al. kombinovali su grafen i nanocelulozu u celulozu/reducirano hibridni film grafena oksida kroz sloj-po-sloj samosabranu, pokazujući visokonaređenu slojnu strukturu. Međutim, kombinacija matrice i grafena troši mnogo energije i ne može postići proizvodnju velikih razmjera.
U tom kontekstu, proučavanje filmova visoke toplinske provodljivosti grafena ima dva važna značenje. Jedan je da se zbog visokih troškova umjetnih grafičkih filmova i poteškoća u pripremi visokokvalitetnih poliimidnih filmova, industrija nada da se visoke toplinske provodljivosti grafenih filmova mogu koristiti kao alternativni plan. Drugo, zbog sve veće potražnje za disipcijom topline u elektronskim proizvodima, nova rješenja za disipaciju topline zahtijevaju ne samo visoku toplinsku provodljivost termički provodljivog filma, već i određenu debljinu termoproduktivnog filma kako bi se povećao fluks toplotne provodljivosti u smjeru aviona. U umjetnom grafitnom filmu, zbog stepena poliimidne molekularne orijentacije, grafitizirani poliimid termičko provodljiv film ima veću toplinsku provodljivost samo kada je debljina mala. Toplotni film grafena se lako može snimiti u debeli termalni film (~100 μm), koji ima dobre izglede za primjenu u sistemu toplinskog upravljanja novim elektronskim uređajima.
2.Tehnička istraživanja o debljini filma Graphene
Priprema debljeg grafen termalnog provodljivog filma trenutno je vruća istraživačka tema. Teoretski govoreći, da bi se povećala debljina grafenski film, može se primijeniti samo deblja film grafenski oksid. Međutim, postoje sljedeći problemi u stvarnom operaciji: (1) Kvalitet debelog filma formiranog nožnim prelivom nije visok. Zbog niske koncentracije disperzije grafenog oksida (manje od 10%), ostatak grafenog oksida je voda, što zahtijeva dugo vremena za isparavanje. Pahuljice grafenog oksida su u interakciji sa molekulama vode kroz vodikove veze, a molekule vode bježe kada ispare, tako da pahuljice grafenog oksida formiraju poprečne veze kroz vodikove veze, formirajući film na površini nalikuje "mliječnoj koži". Ovaj tanki film usporava isparavanje vode unutar disperzija grafenog oksida, i uzrokuje da lim grafenog oksida ima nedosljednu orijentaciju, što smanjuje kvalitet filma.
(2) Teško je dobiti debeli film metodom u jednom koraku. Zbog niske koncentracije disperzije grafenijevog oksida, nemoguće je pripremiti film grafenijevog oksida debljine ~100μm u isto vrijeme bez obzira na metode kao što su premaz nožem, oblaganje okretaja ili prskanje. Luo et al. je otkrio da se film grafenog oksida još uvijek može vezati jedan za drugog pod uvjetom deionizirane infiltracije vode nakon isparavanja u suhoću. Do ove pojave dolazi zato što su slojovi grafenovog oksida međusobno povezani kroz vodikove veze pod djelovanjem vode. Tako da se film sa grafenim oksidom može zaleći kao papir. Zhang et al. je koristio sličnu metodu kako bi nabujao pripremljeni film grafenog oksida u vodi i zalijeli ga sloj po sloj. Nakon sušenja, vrućeg preširanja, grafitizacije i hladnog preširanja, dobijen je ultra-debeo grafeski film debljine 200 μm. Radi se o 1224 W-m-1-K-1, a efekt disipacije topline mjeren infracrvenom kamerom bolji je od efekta bakra, aluminija i tankoslojnog grafenog termalnog filma. Trenutno je relativno malo studija o pripremi 100-mikron debelih grafenih filmova visoke toplotne provodljivosti. Pored oticanja i vezivanja, preklapanje grafenih oksidnih filmova može se postići i metodama kao što su električno grijanje i vezivanje metalnih iona. Graphene film sa mikron debljinom i visokom termalnom provodljivošću pruža nove ideje.
3. Outlook
Uz razvoj tehnologije pripreme grafena velikih razmjera, toplinska provodljivost visoko termoproduktivnog grafenog filma pripremljenog na osnovu metode grafenovog oksida može doseći 2000W 1-1-K-1. Toplotna provodljivost grafenog filma visoke toplotne provodljivosti ekvivalentna je onoj visokokvalitetiziranog grafitiziranog poliimidnog filma za industrijske primjene, te ima nižu cijenu i bolju kontrolornost debljine. U isto vrijeme, grafen, kao dvodimenzionalni termički provodljivi punilo, lako je konstruirati trodimenzionalnu termoprovodivnu mrežu u polimernom matricu, i ima dobre izglede primjene u materijalima toplinskog sučelja. Poboljšanjem disperzije grafena u polimernom matricu i izgradnjom trodimenzionalne mreže toplotne provodljivosti grafena, toplinska provodljivost kompozita toplotnog sučelja ispunjenog grafenom je nekoliko puta višu od one polimera, a odnos punila je manji od onog kod tradicionalnih toplinskih provodnih punila. Graphene, bilo da se koristi kao samostalan termički provodljivi film ili kao termoprovodivna punila za materijale termalnog sučelja, igrat će važnu ulogu u sljedećoj generaciji elektronskih komponenti aplikacija za disipaciju topline.
