In den aktuellen elektronischen und optoelektronischen Industrien hat sich die dissipierte Leistung verdoppelt, da elektronische Geräte und Produkte auf eine höhere Integration und Rechenleistung zusteuern. Die Wärmeabfuhr ist allmählich zu einem Schlüsselfaktor geworden, der die nachhaltige Entwicklung der Elektronikindustrie begrenzt. Die Suche nach Wärmeverwaltungsmaterialien mit hervorragender thermischer Leitfähigkeit ist entscheidend für die Entwicklung von nächsten Generationen integrierter Schaltkreise und dreidimensionaler elektronischer Produkte. Die thermische Leitfähigkeit traditioneller keramischer Materialien wie Bornitrid und Aluminiumoxid sowie metallischer Materialien wie Kupfer und Aluminium liegt höchstens bei einigen Hundert W/(m·K). Im Gegensatz dazu Kohlenstoffmaterialienwie Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und Kohlenstofffasern bieten eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit. Zum Beispiel kann die thermische Leitfähigkeit von Graphit in Richtung parallel zu den Kristallschichten theoretisch 4180 W/m·K erreichen. Das ist fast 10-mal so hoch wie die von traditionellen Metallen wie Kupfer, Silber und Aluminium.
Zusätzlich besitzen Kohlenstoffmaterialien auch hervorragende Eigenschaften wie geringe Dichte, niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient und gute Hochtemperaturmechanik.
Kurz gesagt, Kohlenstoffmaterialien verfügen über eine einzigartige Wärmeleit- und -abfuhrfähigkeit, was sie in den letzten Jahren zu den vielversprechendsten Wärmeableitmaterialien macht.
Thermische Leitfähigkeit verschiedener Kohlenstoffmaterialien
Graphen
Graphen ist ein Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die aus Graphit exfoliert wurde. Seine Struktur bildet ein hexagonales Gitter, das eine stabile, honigwabenförmige zweidimensionale Ebene schafft. Die Kohlenstoffatome innerhalb des Graphens sind mit großer Flexibilität verbunden. Wenn äußere Kräfte auf Graphen ausgeübt werden, biegt sich die Kohlenstoffatom-Ebene und verformt sich, wodurch die Kohlenstoffatome die strukturelle Stabilität ohne Neuordnung bewahren können. Diese stabile Gitterstruktur verleiht Graphen eine außergewöhnliche thermische Leitfähigkeit.
Studien haben gezeigt, dass die thermische Leitfähigkeit von einlagigem Graphen bei Raumtemperatur 3000 bis 5300 W/(m·K) erreichen kann.
Kohlenstoffnanoröhren
Seit der Entdeckung der Kohlenstoffnanoröhren im Jahr 1991 stehen sie im Mittelpunkt der Forschung. Viele Wissenschaftler haben ihre thermische Leitfähigkeit untersucht. Kohlenstoffnanoröhren entstehen durch das Aufrollen einzelner oder mehrerer Schichten von Graphitblättern. Sie können in einwandige, doppeltwandige und mehrwandige Typen eingeteilt werden.
Die einzigartige Struktur der Kohlenstoffnanoröhren verleiht ihnen eine außergewöhnlich hohe thermische Leitfähigkeit. Studien haben gezeigt, dass die thermische Leitfähigkeit von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren bei Raumtemperatur 3980 W/(m·K) beträgt. Doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren haben eine thermische Leitfähigkeit von 3580 W/(m·K). Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren erreichen eine thermische Leitfähigkeit von 2860 W/(m·K).
Diamant
Diamant besitzt eine Kristallstruktur, bei der Kohlenstoffatome in einer tetraedrischen Anordnung eng beieinander liegen. Alle Elektronen sind an Bindungen beteiligt, was zu einer außergewöhnlichen thermischen Leitfähigkeit von 2000–2100 W/(m·K) bei Raumtemperatur führt. Dies macht Diamant zu einem der besten Materialien für thermische Leitfähigkeit in der Natur. Diese Eigenschaft macht ihn unersetzlich in hochwertigen Wärmeableitungsanwendungen.
Kohlenstofffaser
Kohlenstofffaser entsteht durch Hochtemperatur-Karbonisierung, was zu einer ungeordneten Graphitstruktur führt. Wenn das axiale Graphitgitter hoch orientiert ist, kann sie eine ultra-hohe thermische Leitfähigkeit erreichen. Zum Beispiel erreicht die thermische Leitfähigkeit von teerbasierter Kohlenstofffaser 1100 W/(m·K), während die von dampfgezüchteter Kohlenstofffaser 1950 W/(m·K) erreichen kann.
Graphit
Graphit gehört zum hexagonalen Kristallsystem, besteht aus sechs prismatischen Flächen und zwei dicht gepackten Basalflächen. Die Kohlenstoffatome in der ersten Schicht bilden ein hexagonales Gitter, wobei die zweite Schicht um die Hälfte der Diagonale des Hexagons versetzt ist und parallel überlappt. Die dritte Schicht wiederholt die Position der ersten, wodurch eine A-B-A-B…-Sequenz entsteht. Die thermische Leitfähigkeit von natürlichem Graphit entlang der (002)-Kristallfläche beträgt 2200 W/(m·K). Die in-plane thermische Leitfähigkeit hochorientierten pyrolytischen Graphits kann ebenfalls 2000 W/(m·K) erreichen.
Fazit
Kohlenstoffmaterialien besitzen einzigartige Kristallstrukturen und physikochemische Eigenschaften. Diese Materialien zeigen unersetzliche Vorteile in thermischer Leitfähigkeit und Wärmeabfuhr. Mit Fortschritten in der Herstellungstechnologie und der Erweiterung der Anwendungsszenarien wird erwartet, dass kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen und Diamant die Wärmeverwaltungslösungen verbessern. Dies wird Industrien wie Elektronik und Luft- und Raumfahrt helfen, ein höheres Niveau zu erreichen.
Epic Pulver
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