Зашто је топлотна проводљивост угљеничних наноцеви тако висока?

У круговима управљања топлотом и дисипације топлоте чипова, угљеничне наноцеви су дуго сматране „изабраним“ за разбијање ћорсокака. Међутим, многи инжењери су запањени када их заправо користе за прављење топлотно проводљивих масти или подлога: како невероватни подаци од 3000 В/мК који се налазе у литератури могу да доведу до мање од 10 В/мК у њиховим рукама? Још више фрустрирајуће је екстремна разлика у термичким перформансама између два краја исте цеви. Зашто је топлотна проводљивост угљеничних наноцеви тако висока? Зашто је разлика између аксијалног и радијалног правца тако велика? Ово никако није једноставно питање параметара материјала, већ укључује основну логику квантног ограничења и физику фонона. Данас ћемо оставити по страни блиставе концепте и користити хардцоре податке да у потпуности откријемо картице топлотне проводљивости ЦНТ-а.

1. Извор топлотне проводљивости: Како угљеничне наноцеви постижу крајњи пренос топлоте?

Екстремно висока топлотна проводљивост угљеничних наноцеви потиче од њихове савршене сп² хибридизоване мреже ковалентних веза, која омогућава пренос топлоте путем балистичког транспорта фонона без скоро никаквих губитака расејања на микроскопској скали.

Метали се ослањају на слободне електроне за топлотну проводљивост, док се угљеничне наноцеви ослањају на фононску проводљивост (пренос топлоте помоћу вибрација решетке). Зашто је топлотна проводљивост угљеничних наноцеви тако висока? Језгро лежи у њиховој савршеној ваљаној структури од графенског лима која је формирана изузетно чврстим угљеничним-угљеничним везама. Када се фонони (квантизовани таласи вибрације решетке) шире дуж једног зида цеви без икаквих граница зрна, дислокација или нечистоћа, њихов средњи слободни пут је изузетно дуг (до микронске скале). Овај „балистички транспорт“-без расејања чини топлотни отпор нули, дајући им интринзичну границу топлотне проводљивости која превазилази дијамант и сребро.

2. Анизотропија: Зашто је разлика између аксијалног и радијалног правца тако велика?

Огромна разлика у аксијалној и радијалној топлотној проводљивости у основи произилази из екстремне асиметрије фононске густине стања у различитим димензијама изазване једнодимензионалним ефектом квантног ограничења и чињенице да се радијални правац ослања само на изузетно слабе ван дер Валсове силе.

Ово је тачка коју многи људи тешко разумеју: за исту цев, зашто је разлика тако велика? У аксијалном правцу, фонони лете великом брзином дуж непрекидних сп² ковалентних веза без препрека. У радијалном правцу (кроз зид цеви), не постоје ни јаке ковалентне везе које повезују суседне слојеве угљеника, нити одговарајући фононски модови. Радијални пренос топлоте може се ослањати само на изузетно слабе ван дер Валсове силе међуслоја (слично клизним равнима између слојева графита). Када се фонони шире кроз слојеве, они трпе озбиљно расејање фонона и неусклађеност мода, што доводи до експоненцијалног повећања топлотног отпора. Ово је као разлика између аутопута (аксијално) и блатњаве мочваре (радијално).

3. Поређење са бакром/силицијумом: ко је изложен на наноскали?

За разлику од бакра и силицијума, који се ослањају на транспорт електрона за топлотну проводљивост, угљеничне наноцеви, са својим механизмом топлотне проводљивости којим доминирају фонони, показују супериорну отпорност{1}} на ефекте величине и изолационе карактеристике високе -термалне-проводљивости на наноскали.

Зашто је топлотна проводљивост угљеничних наноцеви тако висока? Предност постаје очигледнија у поређењу са традиционалним материјалима. Топлотна проводљивост бакра и силицијума у ​​великој мери зависи од електрона. Када се ширина линије смањи на наноразмеру интерконекција чипова, електрони се насилно распршују на површинама и границама зрна (ефекат величине), што доводи до пада топлотне проводљивости бакра за више од 50%. Међутим, балистички фононски транспорт ЦНТ-а је изузетно неосетљив на димензије наноразмера, одржавајући ултра-високу топлотну проводљивост чак и испод 10 нм. У исто време, ЦНТ су или електрична изолација (полупроводничке цеви) или ниска-отпорност, омогућавајући „изолацију високе топлотне проводљивости“ - нешто што силицијум и бакар апсолутно не могу да постигну.

4. Макроскопска дилема: Зашто је ваша измерена топлотна проводљивост увек далеко кратка?

Оштар пад топлотне проводљивости угљеничних наноцеви у макроскопским композитима је узрокован огромним топлотним отпором у контакту између цеви (отпор Капица) који озбиљно блокира пут транспорта фонона.

Теорија је изузетно јака, али реалност је изузетно слаба. Једна цев има аксијалну топлотну проводљивост од 3000 В/мК, али додавање 5% у пластику може довести до укупне топлотне проводљивости од 1,5 В/мК. Зашто? Зато што топлота која се шири кроз матрицу мора скочити из једне цеви у другу. Овај процес укрштања међу-цевних празнина и слабих ван дер Валсових интерфејса ствара изузетно високу Капицу отпорност. Фонони се рефлектују назад чим стигну до интерфејса, не успевајући да се преносе уопште. Ако су ЦНТ и даље чврсто агломерирани у матрици, топлота чак нема шансе да уђе у цеви, а агломерати 反而 постају термоизолациони зидови.

5. Пробој произвођача: Како Схандонг Танфенг пружа крајњи потенцијал топлотне проводљивости ЦНТ-а?

Ослањање на произвођача извора као што је Схандонг Танфенг који овладава основним технологијама прилагођавања високог -аспеката-односа и-уплетања на лицу места{3}} је кључни пут ка преласку међу{4}}баријере топлотног отпора контакта и остваривању крајње топлотне проводљивости угљеничних наноцеви.

Пошто основни узрок лежи у међуфазној топлотној отпорности и агломерацији, решење је „мање преклапања, више ширења“. Као професионални произвођач ЦНТ-а, Схандонг Танфенг Нев Материал Тецхнологи Цо., Лтд. отвара канале за топлотну проводљивост за вас од краја синтезе:

Ултра-високи однос страница смањује топлотну отпорност: 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. Што су цеви дуже, то је мање чворова преклапања, а губитак интерфејса укрштања фонона се експоненцијално смањује, стварајући-мрежу топлотне проводљивости најдужег домета са најмање тачака преклапања.

Ин-Ситу Де-уплетање елиминише мртве зоне топлотне изолације:Циљајући термоизолационе зидове изазване агломерацијом, Схандонг Танфенг користи власнички динамички проток ваздуха ин-ин ситу де-технологију заплетања. Прашак је пахуљаст и лако се навлажи, омогућавајући да се једна-цијев шири под малим смицањем низводно, потпуно елиминишући мртве зоне топлотне изолације и омогућавајући фононима да пролазе право кроз њих.

Прилагођена модификација површине и лепљење:Да би додатно смањио међуфазну топлотну отпорност између ЦНТ-а и матрице смоле, Схандонг Танфенг обезбеђује прилагођавање функционалне групе површине и унапред дисперговане пасте са високим-чврстим{1}}садржајем-. Кроз хемијско везивање "меко слетање", фонони се неприметно преносе са матрице на ЦНТ аутопут. Измерени резултати показују да се топлотна проводљивост смеша за заливање/термичких масти може побољшати за више од 300%.

Закључак

Да се ​​вратимо на основна питања: зашто је топлотна проводљивост одугљеничне наноцевитако високо? Зашто је разлика између аксијалног и радијалног правца тако велика? Ово је физичко чудо створено балистичким транспортом фонона и једно{0}}димензионалним квантним ограничењем који раде заједно. Аутопут аксијалне ковалентне везе и радијална ван дер Валсова блатна мочвара чине његову екстремну анизотропију. Лоше перформансе у макроскопским апликацијама нису зато што су ЦНТ неадекватне, већ зато што топлотна отпорност између-цеви прекида фононски пут. Препознавање ове реалности и ослањање на висок-однос-односа,-замршеност на лицу места-и технологије модификације интерфејса произвођача извора као што је Схандонг Танфенг, може вам помоћи да пређете јаз од микроскопског ка макроскопском, чиме угљеничне наноцеви заиста чине врхунским оружјем за управљање топлотом.