En las industrias electrónicas y optoelectrónicas actuales, a medida que los dispositivos y productos electrónicos evolucionan hacia una mayor integración y potencia de cálculo, la potencia disipadas se ha duplicado. La disipación de calor se ha convertido gradualmente en un factor clave que limita el desarrollo sostenible de la industria electrónica. Encontrar materiales de gestión térmica con una excelente conductividad térmica es crucial para diseñar circuitos integrados de próxima generación y productos electrónicos tridimensionales. La conductividad térmica de los materiales cerámicos tradicionales, como el nitruro de boro y el nitruro de aluminio, y los materiales metálicos, como el cobre y el aluminio, es solo de unos pocos cientos de W/(m·K) como máximo. En contraste, materiales de carbono, como el diamante, grafito, grafeno, nanotubos de carbono y fibra de carbono, ofrecen una conductividad térmica mucho mayor. Por ejemplo, la conductividad térmica del grafito en la dirección paralela a las capas cristalinas puede alcanzar teóricamente 4180 W/m·K. Esto es casi 10 veces la de metales tradicionales como el cobre, la plata y el aluminio.
Además, los materiales de carbono también poseen excelentes propiedades como baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas.
En resumen, los materiales de carbono tienen una capacidad única de conducción/disipación de calor, lo que los convierte en los materiales de disipación de calor más prometedores en los últimos años.
Conductividad térmica de diferentes materiales de carbono
Grafeno
El grafeno es un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono exfoliada del grafito. Su estructura forma una red hexagonal, creando un plano bidimensional estable con forma de panal. Los átomos de carbono dentro del grafeno están conectados con gran flexibilidad. Cuando se aplica una fuerza externa al grafeno, el plano de átomos de carbono se flexiona y deforma, permitiendo que los átomos de carbono mantengan la estabilidad estructural sin reorganizarse. Esta estructura de red estable confiere al grafeno una conductividad térmica excepcional.
Los estudios han demostrado que la conductividad térmica del grafeno de capa única a temperatura ambiente puede alcanzar de 3000 a 5300 W/(m·K).
Nanotubos de carbono
Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono en 1991, han sido un punto focal. Muchos investigadores han estudiado su conductividad térmica. Los nanotubos de carbono se forman enrollando una o varias capas de láminas de grafito. Pueden clasificarse en tipos de pared simple, doble pared y de paredes múltiples.
La estructura única de los nanotubos de carbono les confiere una conductividad térmica excepcionalmente alta. Los estudios han demostrado que la conductividad térmica de los nanotubos de carbono de pared simple a temperatura ambiente es de 3980 W/(m·K). Los nanotubos de carbono de doble pared tienen una conductividad térmica de 3580 W/(m·K). Los nanotubos de carbono de paredes múltiples alcanzan una conductividad térmica de 2860 W/(m·K).
diamante
El diamante tiene una estructura cristalina en la que los átomos de carbono están dispuestos en un patrón tetraédrico cercano. Todos los electrones participan en enlaces, lo que resulta en una conductividad térmica excepcional de 2000–2100 W/(m·K) a temperatura ambiente. Esto hace que el diamante sea uno de los mejores materiales para la conductividad térmica en la naturaleza. Esta propiedad lo hace insustituible en aplicaciones de disipación de calor de alta gama.
Fibra de carbono
La fibra de carbono se forma mediante carbonización a alta temperatura, resultando en una estructura de grafito desordenada. Cuando su red de grafito axial está altamente orientada, puede alcanzar una conductividad térmica ultra alta. Por ejemplo, la conductividad térmica de la fibra de carbono basada en brea alcanza los 1100 W/(m·K), mientras que la de fibra de carbono cultivada por vapor puede llegar a 1950 W/(m·K).
Grafito
El grafito pertenece al sistema cristalino hexagonal, compuesto por seis caras prismáticas y dos planos basales densamente empaquetados. Los átomos de carbono en la primera capa forman una red hexagonal, con la segunda capa desplazada por la mitad de la diagonal del hexágono, y se superponen en paralelo. La tercera capa repite la posición de la primera, creando una secuencia A-B-A-B… La conductividad térmica del grafito natural a lo largo del plano cristalino (002) es de 2200 W/(m·K). La conductividad térmica en plano del grafito pirolítico altamente orientado también puede alcanzar los 2000 W/(m·K).
conclusión
Los materiales de carbono tienen estructuras cristalinas únicas y propiedades fisicoquímicas. Estos materiales muestran ventajas insustituibles en conductividad térmica y disipación de calor. Con avances en tecnologías de preparación y la expansión de escenarios de aplicación, se espera que los materiales basados en carbono, como el grafeno y el diamante, mejoren las soluciones de gestión térmica. Esto ayudará a industrias como la electrónica y la aeroespacial a alcanzar un nivel superior.
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