В кръговете на управлението на топлината и разсейването на топлината на чиповете въглеродните нанотръби отдавна се смятат за „избраните“ за излизане от задънената улица. Въпреки това, много инженери са озадачени, когато действително ги използват за производство на топлопроводими греси или тампони: как могат невероятните данни от 3000 W/mK, намерени в литературата, да доведат до по-малко от 10 W/mK в собствените им ръце? Още по-разочароваща е изключителната разлика в топлинните характеристики между двата края на една и съща тръба. Защо топлопроводимостта на въглеродните нанотръби е толкова висока? Защо разликата между аксиалните и радиалните посоки е толкова голяма? Това в никакъв случай не е прост проблем с материалните параметри, а включва основната логика на квантовото ограничение и фононната физика. Днес ще оставим настрана ярки концепции и ще използваме твърди данни, за да разкрием напълно картите за топлопроводимост на CNT.
1. Източникът на топлопроводимост: Как въглеродните нанотръби постигат максимален пренос на топлина?
Изключително високата топлопроводимост на въглеродните нанотръби произлиза от тяхната перфектна мрежа от sp² хибридизирани ковалентни връзки, която позволява топлината да се предава чрез балистичен фононен транспорт без почти никаква загуба на разсейване в микроскопичен мащаб.
Металите разчитат на свободни електрони за топлинна проводимост, докато въглеродните нанотръби разчитат на фононна проводимост (пренос на топлина чрез вибрации на решетката). Защо топлопроводимостта на въглеродните нанотръби е толкова висока? Ядрото се крие в тяхната перфектна навита структура от графенов лист, образувана от изключително твърди въглерод-въглеродни връзки. Когато фонони (квантувани вибрационни вълни на решетката) се разпространяват по стената на единична тръба без никакви граници на зърната, дислокации или примеси, техният среден свободен път е изключително дълъг (до микронен мащаб). Този „балистичен транспорт“-без разсейване прави термичното съпротивление близо до нула, което им дава присъща граница на топлопроводимост, която надминава диаманта и среброто.
| Тип материал | Механизъм за топлопроводимост | Стайна температура Вътрешна топлопроводимост | Среден свободен път | Доверен източник/препратка към данни |
|---|---|---|---|---|
| Въглеродни нанотръби с една-стена (SWCNT) | Фононен транспорт (балистичен) | 3000 - 6600 W/mK | ~1 μm | Наука (Поп и др.) |
| Много{0}}стенни въглеродни нанотръби (MWCNT) | Фононен транспорт | 2000 - 3000 W/mK | Стотици nm | Физически преглед Б |
| Диамант | Фононен транспорт | ~2200 W/mK | ~300 nm | Наръчник по класическа термодинамика |
| Сребро/Мед | Електронен транспорт | 430 / 400 W/mK | Десетки nm | Еталон за топлопроводимост на материала |
2. Анизотропия: Защо разликата между аксиалните и радиалните посоки е толкова голяма?
Огромната разлика в аксиалната и радиалната топлопроводимост основно произтича от изключителната асиметрия на фононната плътност на състоянията в различни измерения, причинена от-едномерния ефект на квантово задържане, и факта, че радиалната посока разчита само на изключително слаби сили на Ван дер Ваалс.
Това е въпрос, който много хора трудно разбират: за една и съща тръба, защо разликата е толкова голяма? В аксиална посока фононите летят с висока скорост по непрекъснатите sp² ковалентни връзки без препятствия. В радиална посока (през стената на тръбата) няма нито силни ковалентни връзки, свързващи съседни въглеродни слоеве, нито съвпадащи фононни модове. Радиалният пренос на топлина може да разчита само на изключително слаби междуслойни ван дер ваалсови сили (подобно на плъзгащите се равнини между графитните слоеве). Когато фононите се разпространяват през слоевете, те страдат от силно фононно разсейване и несъответствие на режима, което води до експоненциално нарастване на термичното съпротивление. Това е като разликата между магистрала (аксиална) и кално блато (радиална).
| Характеристика на измерението на топлопроводимостта | Аксиален | Радиална | Обяснение на физическия механизъм |
|---|---|---|---|
| Път за пренос на топлина | По непрекъснати ковалентни връзки на стената на тръбата | През междинни слоеве/-между тръби | Разлика в енергията на връзката: C=C връзка (~614 kJ/mol) срещу ван дер Ваалсови сили (няколко kJ/mol) |
| Фононно разсейване | Изключително слаб (балистичен регион) | Изключително силен (фононно несъответствие) | Радиалната фононна плътност на състоянията е изключително ниска, неспособна да свързва ефективно вибрации |
| Измерена топлопроводимост | >3000 W/mK | ~1,5 W/mK | Измерени стойности на Nature Nanotechnology |
| Коефициент на анизотропия | Базово ниво 1 | До 2000:1 | Екстремна едномерна ограничена характеристика на топлопроводимост |
3. Сравнение с мед/силиций: Кой е изложен на наномащаб?
За разлика от медта и силиция, които разчитат на електронен транспорт за топлинна проводимост, въглеродните нанотръби с техния механизъм за-доминирана от фонони-топлопроводимост показват превъзходна устойчивост на-ефекта на размера и изолиращи характеристики с висока-топлопроводимост-в наноразмер.
Защо топлопроводимостта на въглеродните нанотръби е толкова висока? Предимството става по-очевидно в сравнение с традиционните материали. Топлинната проводимост на медта и силиция силно зависи от електроните. Когато широчината на линията се свие до наномащаба на връзките на чипа, електроните се разпръскват силно по повърхностите и границите на зърната (ефект на размера), което води до спад на топлопроводимостта на медта с повече от 50%. Въпреки това, балистичният фононен транспорт на CNTs е изключително нечувствителен към наномащабни размери, поддържайки ултра-висока топлопроводимост дори под 10 nm. В същото време CNT са или електрически изолиращи (полупроводникови тръби) или ниско-съпротивление, позволявайки „изолираща висока топлопроводимост“ - нещо, което силицият и медта абсолютно не могат да постигнат.
| Сравнение на топлопроводимостта на наноустройството | Мед | Силиций | Въглеродни нанотръби | Заключение |
|---|---|---|---|---|
| Топлоносител | Електрони | Електрони + фонони | Фонони | CNT нямат джаулово нагряване |
| Наномащабно затихване | Изключително тежък (ефект на размера) | Тежка | Изключително слабо (анти{0}}затихване на балистичния регион) | CNT са първият избор за свързваща топлопроводимост |
| Електротермичен съединител | Висока проводимост=висока топлопроводимост | Среден | Може да постигне висока топлопроводимост / изолация | Единственото решение за термични подложки/съединения за саксии |
| Съвпадение на топлинното разширение | Лош (податлив на напукване от термичен стрес) | беден | Отличен (съвместим с полимерна матрица) | Данни за лабораторно приложение Shandong Tanfeng |
4. Макроскопична дилема: Защо измерената ви топлопроводимост винаги е много ниска?
Резкият спад в топлопроводимостта на въглеродните нанотръби в макроскопичните композити се причинява от огромното термично съпротивление при контакт между-тръби (съпротивление на Капица), което силно блокира пътя на фононния транспорт.
Теорията е изключително силна, но реалността е изключително слаба. Една тръба има аксиална топлопроводимост от 3000 W/mK, но добавянето на 5% към пластмасата може да доведе само до обща топлопроводимост от 1,5 W/mK. защо Тъй като топлината, разпространяваща се през матрицата, трябва да прескача от една тръба в друга. Този процес на пресичане на между-тръбни процепи и слаби ван дер Ваалсови интерфейси генерира изключително висока устойчивост на Капица. Фононите се отразяват обратно веднага щом достигнат интерфейса, като изобщо не успяват да преминат през него. Ако CNT все още са плътно агломерирани в матрицата, топлината дори няма шанс да навлезе в тръбите и агломератите反而 се превръщат в топлоизолационни стени.
| Състояние на композитния материал | Състояние на дисперсия на CNT | Междуфазово контактно термично съпротивление | Макроскопичен ефект на подобряване на топлопроводимостта | Точки на болка в производствената линия |
|---|---|---|---|---|
| Идеален модел | Идеално припокриване на една-тръба | Изключително ниско | 5wt% addition improves >500% | Съществува само в теоретични симулации |
| Конвенционална добавка на сух прах | Тежка твърда агломерация | Изключително високо (пълно отражение на фонон) | 5wt% добавяне подобрява<30% | Вискозитетът скача до небето, трудно се обработва |
| Силна ултразвукова дисперсия | Счупени тръби + остатъчни агломерати | Среден | Подобрението е ограничено и нестабилно | Изключително нисък производствен капацитет, не може да се мащабира |
5. Пробив на производителя: Как Shandong Tanfeng осигурява върховния потенциал за топлопроводимост на CNT?
Разчитането на производител на източници като Shandong Tanfeng, който владее основните технологии за персонализиране на-аспект-съотношение и-заплитане на място-е ключовият път за преминаване на бариерата на термичното съпротивление между-тръбния контакт и реализиране на крайната топлопроводимост на въглеродните нанотръби.
Тъй като основната причина се крие в междинната термична устойчивост и агломерация, решението е „по-малко припокривания, повече разпространение“. Като професионален производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. отваря каналите за топлопроводимост за вас от края на синтеза:
Ултра{0}}високото съотношение на страните намалява термичната устойчивост: 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. Колкото по-дълги са тръбите, толкова по-малко са възлите на припокриване и загубата на фонони, пресичащи интерфейсите, намалява експоненциално, изграждайки топлопроводимата мрежа с най-дълъг-обхват с най-малко точки на припокриване.
In-Situ De-заплитането елиминира мъртвите зони на топлоизолацията:Насочвайки се към топлоизолационните стени, причинени от агломерация, Shandong Tanfeng използва собствена технология за динамичен въздушен поток in-situ de-заплитане. Прахът е пухкав и лесно се намокря, позволявайки единична -тръба да се разпространява при ниско срязване надолу, напълно елиминирайки мъртвите зони на топлоизолацията и позволявайки на фононите да преминават направо.
Персонализирана повърхностна модификация и поставяне:За допълнително намаляване на междинното термично съпротивление между CNT и матрицата от смола, Shandong Tanfeng осигурява персонализиране на повърхностната функционална група и предварително-диспергирани пасти с високо-твърдо-съдържание. Чрез „меко кацане“ на химическо свързване фононите се прехвърлят безпроблемно от матрицата към CNT магистралата. Измерените резултати показват, че топлопроводимостта на смесите/термопастите може да се подобри с повече от 300%.
Заключение
Връщайки се към основните въпроси: защо е топлопроводимостта навъглеродни нанотръбитолкова високо? Защо разликата между аксиалните и радиалните посоки е толкова голяма? Това е физическо чудо, изковано от балистичен фононен транспорт и-едномерно квантово ограничение, работещи заедно. Магистралата с аксиална ковалентна връзка и радиалното кално блато на Ван дер Ваалс представляват неговата изключителна анизотропия. Слабата производителност в макроскопичните приложения не е защото CNT са неадекватни, а защото термичното съпротивление между -тръбите прекъсва фононния път. Признаването на тази реалност и разчитането на високо-аспектно-съотношение,-заплитане на място-и технологии за модифициране на интерфейса на производител на източници като Shandong Tanfeng, може да ви помогне да преодолеете празнината от микроскопични към макроскопични, наистина превръщайки въглеродните нанотръби в най-доброто оръжие в областта на управлението на топлината.