Zakaj je toplotna prevodnost ogljikovih nanocevk tako visoka?

V krogih upravljanja toplote in odvajanja toplote čipov so ogljikove nanocevke dolgo veljale za "izbrane", ki bodo rešile zastoj. Toda mnogi inženirji so osupli, ko jih dejansko uporabljajo za izdelavo toplotno prevodnih masti ali blazinic: kako lahko neverjeten podatek o 3000 W/mK, ki ga najdemo v literaturi, povzroči manj kot 10 W/mK v lastnih rokah? Še bolj frustrirajoča je izjemna razlika v toplotni učinkovitosti med obema koncema iste cevi. Zakaj je toplotna prevodnost ogljikovih nanocevk tako visoka? Zakaj je razlika med aksialno in radialno smerjo tako velika? To nikakor ni preprosto vprašanje materialnih parametrov, ampak vključuje osnovno logiko kvantne omejitve in fononske fizike. Danes bomo pustili ob strani bliskovite koncepte in uporabili hardcore podatke za popolno razkritje kartic toplotne prevodnosti CNT.

1. Vir toplotne prevodnosti: Kako ogljikove nanocevke dosežejo končni prenos toplote?

Izjemno visoka toplotna prevodnost ogljikovih nanocevk izvira iz njihove popolne mreže sp² hibridizirane kovalentne vezi, ki omogoča prenos toplote prek balističnega fononskega transporta skoraj brez izgube zaradi sipanja na mikroskopskem merilu.

Kovine se za toplotno prevodnost zanašajo na proste elektrone, medtem ko se ogljikove nanocevke zanašajo na fononsko prevodnost (prenos toplote z vibracijsko mrežo). Zakaj je toplotna prevodnost ogljikovih nanocevk tako visoka? Jedro je v njihovi popolni grafenski ploščati strukturi, ki jo tvorijo izjemno toge ogljikove -ogljikove vezi. Ko se fononi (kvantizirani mrežni vibracijski valovi) širijo vzdolž ene stene cevi brez meja zrn, dislokacij ali nečistoč, je njihova povprečna prosta pot izjemno dolga (do mikronske lestvice). Zaradi tega »balističnega transporta«-brez sipanja se toplotna upornost približa nič, kar jim daje intrinzično mejo toplotne prevodnosti, ki presega diamant in srebro.

2. Anizotropija: Zakaj je razlika med aksialno in radialno smerjo tako velika?

Ogromna razlika v aksialni in radialni toplotni prevodnosti v osnovi izhaja iz izjemne asimetrije fononske gostote stanj v različnih dimenzijah, ki jo povzroča eno{0}}dimenzionalni učinek kvantne omejitve, in dejstva, da je radialna smer odvisna le od izjemno šibkih van der Waalsovih sil.

To je točka, ki jo mnogi ljudje težko razumejo: zakaj je za isto cev tako velika razlika? V aksialni smeri fononi letijo z veliko hitrostjo vzdolž zveznih kovalentnih vezi sp² brez ovir. V radialni smeri (skozi steno cevi) ni niti močnih kovalentnih vezi, ki povezujejo sosednje plasti ogljika, niti ustreznih fononskih načinov. Radialni prenos toplote se lahko zanaša le na izredno šibke van der Waalsove sile med plastmi (podobne drsnim ravninam med plastmi grafita). Ko se fononi širijo po plasteh, trpijo zaradi močnega sipanja fononov in neusklajenosti načina, zaradi česar se toplotna odpornost eksponentno poveča. To je kot razlika med avtocesto (aksialno) in blatnim močvirjem (radialno).

3. Primerjava z bakrom/silicijem: kdo je izpostavljen na nanometru?

Za razliko od bakra in silicija, ki sta za toplotno prevodnost odvisna od transporta elektronov, imajo ogljikove nanocevke s svojim mehanizmom toplotnega prevoda-prevlado fononov vrhunsko odpornost na -učinek velikosti in izolacijske visoko-toplotno-prevodnost na nanometru.

Zakaj je toplotna prevodnost ogljikovih nanocevk tako visoka? Prednost postane bolj očitna v primerjavi s tradicionalnimi materiali. Toplotna prevodnost bakra in silicija je močno odvisna od elektronov. Ko se širina črte skrči na nanomelo medsebojnih povezav čipov, se elektroni močno razpršijo na površinah in mejah zrn (učinek velikosti), zaradi česar toplotna prevodnost bakra pade za več kot 50 %. Vendar pa je balistični fononski transport CNT izjemno neobčutljiv na dimenzije v nanometru, saj ohranja ultra-visoko toplotno prevodnost tudi pod 10 nm. Hkrati so CNT električno izolacijski (polprevodniške cevi) ali nizko-upornost, kar omogoča "izolacijsko visoko toplotno prevodnost" -, česar silicij in baker nikakor ne moreta doseči.

4. Makroskopska dilema: Zakaj je vaša izmerjena toplotna prevodnost vedno zelo nizka?

Močan padec toplotne prevodnosti ogljikovih nanocevk v makroskopskih kompozitih je posledica velikega kontaktnega toplotnega upora med-cevkami (Kapitzina odpornost), ki močno blokira pot transporta fononov.

Teorija je izjemno močna, realnost pa izjemno šibka. Posamezna cev ima aksialno toplotno prevodnost 3000 W/mK, vendar lahko dodajanje 5 % plastiki povzroči skupno toplotno prevodnost le 1,5 W/mK. Zakaj? Ker mora toplota, ki se širi skozi matriko, preskočiti iz ene cevi v drugo. Ta proces prečkanja med-cevnih rež in šibkih van der Waalsovih vmesnikov ustvarja izjemno visoko Kapitzino odpornost. Fononi se odbijejo nazaj takoj, ko dosežejo vmesnik, in sploh ne uspejo prenesti skozi. Če so CNT še vedno tesno aglomerirani v matrici, toplota sploh nima možnosti vstopiti v cevi in ​​aglomerati反而 postanejo toplotnoizolacijske stene.

5. Preboj proizvajalca: Kako Shandong Tanfeng zagotavlja ultimativni potencial toplotne prevodnosti CNT?

Zanašanje na izvornega proizvajalca, kot je Shandong Tanfeng, ki obvlada temeljne tehnologije prilagajanja-visokega-razmerja in-in-prepletanja na kraju samem, je ključna pot do prečkanja meje -toplotnega upora med cevmi in uresničitve končne toplotne prevodnosti ogljikovih nanocevk.

Ker je glavni vzrok medfazna toplotna odpornost in aglomeracija, je rešitev "manj prekrivanja, več širjenja". Kot profesionalni proizvajalec CNT vam Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. odpira kanale za toplotno prevodnost od konca sinteze:

Ultra-visoko razmerje stranic zmanjša toplotno odpornost: 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. Daljše kot so cevi, manj je prekrivajočih se vozlišč in izguba fononov, ki prečkajo vmesnike, se eksponentno zmanjšuje, s čimer se ustvari toplotno prevodno omrežje z najdaljšim-razponom z najmanj točkami prekrivanja.

Za-situ de-zapletanje odpravlja mrtve cone toplotne izolacije:Shandong Tanfeng cilja na toplotnoizolacijske stene, ki jih povzroča aglomeracija, in uporablja lastniško tehnologijo dinamičnega pretoka zraka in-situ de-zapletanja. Prah je puhast in se zlahka zmoči, kar omogoča širjenje ene-cevi pod nizkim strigom navzdol, popolnoma odpravlja mrtve cone toplotne izolacije in omogoča naravnost prehajanja fononov.

Spreminjanje in lepljenje površine po meri:Za nadaljnje zmanjšanje medfazne toplotne odpornosti med CNT in smolno matrico Shandong Tanfeng zagotavlja prilagajanje površinskih funkcionalnih skupin in visoko-vsebnost-trdnih-pred-razpršenih past. S kemično vezjo "mehkega pristanka" se fononi neopazno prenesejo iz matrike na avtocesto CNT. Izmerjeni rezultati kažejo, da je mogoče toplotno prevodnost zalivnih mas/termomasti izboljšati za več kot 300 %.

Zaključek

Če se vrnemo k temeljnim vprašanjem: zakaj je toplotna prevodnostogljikove nanocevketako visoko? Zakaj je razlika med aksialno in radialno smerjo tako velika? To je fizični čudež, ustvarjen s sodelovanjem balističnega fononskega transporta in-enodimenzionalne kvantne omejitve. Avtocesta z aksialno kovalentno vezjo in radialno van der Waalsovo blatno močvirje predstavljata njegovo izjemno anizotropijo. Slaba učinkovitost v makroskopskih aplikacijah ni zato, ker so CNT neustrezni, ampak zato, ker toplotni upor med-cevkami prekine fononsko pot. Če se zavedate te resničnosti in se zanašate na visoko-razmerje-visokega-razmerja,-in-situ de-in tehnologije za spreminjanje vmesnikov proizvajalca vira, kot je Shandong Tanfeng, vam lahko pomaga premagati vrzel od mikroskopskega do makroskopskega, s čimer ogljikove nanocevke resnično postanejo vrhunsko orožje na področju upravljanja toplote.