ความคืบหน้าการวิจัยของวัสดุนําความร้อนแกรฟีน

1. สถานะการวิจัยของฟิล์มความร้อนกราฟีน

กราฟีนเป็นโครงสร้างวงแหวนหกสมาชิกที่มีคาร์บอนที่มีโครงสร้างไฮบริด SP2 และคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีต่างๆมีเสถียรภาพมาก เมื่อเทียบกับวัสดุโลหะแบบดั้งเดิมเช่นทองแดงและอลูมิเนียมกราฟีนมีการนําความร้อนในระนาบที่สูงขึ้น เนื่องจากโครงสร้างพิเศษกราฟีนมีความหนาแน่นต่ํากว่าเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีการนําไฟฟ้าสูงพิเศษการส่งผ่านแสงที่ยอดเยี่ยมและคุณสมบัติทางกลที่ดีขึ้น กราฟีนเป็นตัวเลือกที่เหมาะเป็นส่วนประกอบสารเติมแต่งของวัสดุนําความร้อน ในเวลาเดียวกันฟิล์มกราฟีนสามารถใช้เป็นอ่างความร้อนในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ติดกับพื้นผิวของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ง่ายต่อการสร้างความร้อนและกระจายความร้อนที่เกิดจากแหล่งความร้อนอย่างสม่ําเสมอ ในหมู่พวกเขาการนําความร้อนสูงสุดและผลการกระจายความร้อนที่ดีที่สุดคือฟิล์มนําความร้อนกราไฟท์เทียมที่ได้จากฟิล์มโพลีอิไมด์ผ่านกระบวนการกราไฟท์ การนําความร้อนในทิศทางระนาบสามารถเข้าถึง 700 ~ 1950W∙m-1∙K-1 และความหนาคือ 10 ~ 100 μm พร้อมการนําความร้อนที่ดี

Wang Wen et al. เพิ่มแผ่นนาโนกราฟีนลงในโพรพิลีนซึ่งสามารถเพิ่มการนําความร้อนได้มากถึง 14 เท่า Chen et al. กราฟีนผสมและนาโนเซลลูโลสผ่านการกรองสุญญากาศซึ่งปรับปรุงการนําความร้อนและคุณสมบัติทางกลของฟิล์มคอมโพสิตกราฟีน / เซลลูโลสนาโนไฟเบอร์อย่างมาก Song et al. รวมกราฟีนและนาโนเซลลูโลสลงในฟิล์มไฮบริดเซลลูโลส / ลดกราฟีนออกไซด์ผ่านการประกอบตัวเองทีละชั้นซึ่งแสดงโครงสร้างชั้นที่มีคําสั่งสูง อย่างไรก็ตามการรวมกันของเมทริกซ์และกราฟีนใช้พลังงานจํานวนมากและไม่สามารถบรรลุการผลิตขนาดใหญ่

ในบริบทนี้การศึกษาฟิล์มกราฟีนการนําความร้อนสูงมีความหมายสําคัญสองประการ หนึ่งคือเนื่องจากค่าใช้จ่ายสูงของฟิล์มกราไฟท์เทียมและความยากลําบากในการเตรียมฟิล์มโพลีไอไมด์คุณภาพสูงอุตสาหกรรมหวังว่าฟิล์มกราฟีนการนําความร้อนสูงสามารถใช้เป็นแผนทางเลือกได้ ประการที่สองเนื่องจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นสําหรับการกระจายความร้อนในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์โซลูชันการกระจายความร้อนใหม่ไม่เพียง แต่ต้องการการนําความร้อนสูงของฟิล์มนําความร้อน แต่ยังรวมถึงความหนาที่แน่นอนของฟิล์มนําความร้อนเพื่อเพิ่มฟลักซ์การนําความร้อนในทิศทางระนาบ ในฟิล์มกราไฟท์เทียมเนื่องจากระดับของการวางแนวโมเลกุลโพลีอิไมด์ฟิล์มนําความร้อนโพลีอิไมด์แบบกราไฟด์มีการนําความร้อนที่สูงขึ้นเฉพาะเมื่อความหนามีขนาดเล็ก ฟิล์มความร้อนกราฟีนทําได้ง่ายเป็นฟิล์มความร้อนหนา (~ 100 μm) ซึ่งมีโอกาสในการใช้งานที่ดีในระบบการจัดการความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่

2.การวิจัยทางเทคนิคเกี่ยวกับความหนาของฟิล์มกราฟีน

การเตรียมฟิล์มนําความร้อนกราฟีนหนาขึ้นในปัจจุบันเป็นหัวข้อการวิจัยที่ร้อนแรง ในทางทฤษฎีเพื่อเพิ่มความหนาของฟิล์มกราฟีนสามารถใช้ฟิล์มกราฟีนออกไซด์ที่หนาขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตามมีปัญหาต่อไปนี้ในการทํางานจริง: (1) คุณภาพของฟิล์มหนาที่เกิดจากการเคลือบมีดไม่สูง เนื่องจากความเข้มข้นต่ําของการกระจายตัวของกราฟีนออกไซด์ (น้อยกว่า 10%) ส่วนที่เหลือของกราฟีนออกไซด์คือน้ําซึ่งใช้เวลานานในการระเหย เกล็ดแกรฟีนออกไซด์มีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ําผ่านพันธะไฮโดรเจนและโมเลกุลของน้ําจะหลบหนีเมื่อพวกเขาระเหยเพื่อให้เกล็ดกราฟีนออกไซด์ก่อตัวเป็นการเชื่อมโยงข้ามผ่านพันธะไฮโดรเจนสร้างฟิล์มเหมือน "ผิวน้ํานม" บนพื้นผิว ฟิล์มบาง ๆ นี้ชะลอการระเหยของน้ําภายในการกระจายตัวของกราฟีนออกไซด์และทําให้แผ่นกราฟีนออกไซด์มีการวางแนวที่ไม่สอดคล้องกันซึ่งจะช่วยลดคุณภาพของฟิล์ม

(2) เป็นการยากที่จะได้รับฟิล์มหนาด้วยวิธีการขั้นตอนเดียว เนื่องจากความเข้มข้นต่ําของการกระจายตัวของกราฟีนออกไซด์จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะเตรียมฟิล์มกราฟีนออกไซด์ที่มีความหนา ~ 100μm ในแต่ละครั้งโดยไม่คํานึงถึงวิธีการเช่นการเคลือบมีดการเคลือบสปินหรือการฉีดพ่น  Luo et al. พบว่าฟิล์มกราฟีนออกไซด์ยังคงสามารถผูกติดกันได้ภายใต้เงื่อนไขของการแทรกซึมของน้ําปราศจากไอออนหลังจากระเหยไปเป็นความแห้งกร้าน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากชั้นกราฟีนออกไซด์เชื่อมต่อกันผ่านพันธะไฮโดรเจนภายใต้การกระทําของน้ํา เพื่อให้ฟิล์มกราฟีนออกไซด์สามารถวางได้เหมือนกระดาษ  Zhang et al. ใช้วิธีการที่คล้ายกันเพื่อบวมฟิล์มกราฟีนออกไซด์ที่เตรียมไว้ในน้ําและวางมันทีละชั้น หลังจากการอบแห้งการกดร้อนการแกรไฟต์และการกดเย็นจะได้รับฟิล์มกราฟีนหนาพิเศษที่มีความหนา 200 μm มันคือ 1224 W∙m-1∙K-1 และผลการกระจายความร้อนที่วัดโดยกล้องอินฟราเรดนั้นดีกว่าฟิล์มความร้อนทองแดงอลูมิเนียมและกราฟีนบาง ๆ ในปัจจุบันมีการศึกษาค่อนข้างน้อยเกี่ยวกับการเตรียมฟิล์มกราฟีนการนําความร้อนสูงหนา 100 ไมครอน นอกจากอาการบวมและพันธะแล้วการทับซ้อนของฟิล์มกราฟีนออกไซด์ยังสามารถทําได้โดยวิธีการต่างๆเช่นความร้อนไฟฟ้าและการยึดเหนี่ยวไอออนโลหะ ฟิล์มกราฟีนที่มีความหนาไมครอนและการนําความร้อนสูงให้แนวคิดใหม่

3. Outlook

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมกราฟีนขนาดใหญ่การนําความร้อนของฟิล์มกราฟีนนําความร้อนสูงที่เตรียมขึ้นตามวิธีกราฟีนออกไซด์สามารถเข้าถึง 2000W∙m-1∙K-1 การนําความร้อนของฟิล์มกราฟีนการนําความร้อนสูงเทียบเท่ากับฟิล์มโพลีอิไมด์กราฟิไทด์คุณภาพสูงสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและมีต้นทุนที่ต่ํากว่าและความสามารถในการควบคุมความหนาที่ดีขึ้น ในเวลาเดียวกันกราฟีนในฐานะฟิลเลอร์นําความร้อนสองมิตินั้นง่ายต่อการสร้างเครือข่ายนําความร้อนสามมิติในเมทริกซ์พอลิเมอร์และมีโอกาสในการใช้งานที่ดีในวัสดุอินเทอร์เฟซความร้อน โดยการปรับปรุงการกระจายตัวของกราฟีนในเมทริกซ์พอลิเมอร์และสร้างเครือข่ายการนําความร้อนของกราฟีนสามมิติการนําความร้อนของคอมโพสิตอินเทอร์เฟซความร้อนที่เต็มไปด้วยกราฟีนนั้นสูงกว่าโพลิเมอร์หลายเท่าและอัตราส่วนฟิลเลอร์ต่ํากว่าฟิลเลอร์นําความร้อนแบบดั้งเดิม กราฟีนไม่ว่าจะใช้เป็นฟิล์มนําความร้อนที่สนับสนุนตัวเองหรือเป็นฟิลเลอร์นําความร้อนสําหรับวัสดุส่วนต่อประสานความร้อนจะมีบทบาทสําคัญในการใช้งานการกระจายความร้อนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป