Kemajuan Penelitian Bahan Konduktif Termal Graphene
1. Status penelitian film termal graphene
Graphene adalah struktur cincin beranggotakan enam yang mengandung karbon dengan struktur hibrida SP2, dan berbagai sifat fisik dan kimia sangat stabil. Dibandingkan dengan bahan logam tradisional seperti tembaga dan aluminium, graphene memiliki konduktivitas termal dalam bidang yang lebih tinggi. Karena strukturnya yang istimewa, graphene memiliki kepadatan yang lebih rendah, stabilitas termal yang baik, konduktivitas listrik ultra-tinggi, transmitansi cahaya yang sangat baik dan sifat mekanik yang lebih baik. Graphene adalah pilihan ideal sebagai komponen aditif dari bahan konduktif termal. Pada saat yang sama, film graphene dapat digunakan sebagai heat sink dalam komponen elektronik, melekat pada permukaan komponen elektronik yang mudah menghasilkan panas, dan merata menyebarkan panas yang dihasilkan oleh sumber panas. Di antara mereka, konduktivitas termal tertinggi dan efek disipasi panas terbaik adalah film konduktif termal grafit buatan yang diperoleh dari film poliimide melalui proses grafitisasi. Konduktivitas termal dalam arah pesawat dapat mencapai 700 ~ 1950W ∙ m-1∙ K-1, dan ketebalannya adalah 10 ~ 100 μm, dengan konduktivitas termal yang baik.
Wang Wen dkk. menambahkan nanosheet graphene ke polypropylene, yang dapat meningkatkan konduktivitas termalnya sebanyak 14 kali. Chen et al. menggabungkan graphene dan nanoselulosa melalui penyaringan vakum, yang sangat meningkatkan konduktivitas termal dan sifat mekanik dari film komposit nanofiber graphene / selulosa. Song et al. menggabungkan graphene dan nanoselulosa menjadi film hibrida selulosa / oksida graphene yang dikurangi melalui perakitan sendiri lapis demi lapis, menunjukkan struktur berlapis yang sangat teratur. Namun, kombinasi matriks dan graphene mengkonsumsi banyak energi dan tidak dapat mencapai produksi skala besar.
Dalam konteks ini, studi tentang film graphene konduktivitas termal yang tinggi memiliki dua arti penting. Salah satunya adalah bahwa karena tingginya biaya film grafit buatan dan kesulitan mempersiapkan film poliimida berkualitas tinggi, industri berharap bahwa film graphene konduktivitas termal yang tinggi dapat digunakan sebagai rencana alternatif. Kedua, karena meningkatnya permintaan untuk disipasi panas dalam produk elektronik, solusi disipasi panas baru tidak hanya membutuhkan konduktivitas termal yang tinggi dari film konduktif termal, tetapi juga ketebalan tertentu dari film konduktif termal untuk meningkatkan fluks konduksi panas ke arah pesawat. Dalam film grafit buatan, karena tingkat orientasi molekul poliimide, film konduktif termal poliimide grafitized memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi hanya ketika ketebalannya kecil. Film termal graphene mudah dibuat menjadi film termal tebal (~ 100 μm), yang memiliki prospek aplikasi yang baik dalam sistem manajemen termal perangkat elektronik baru.
2.Penelitian Teknis tentang Ketebalan Film Graphene
Persiapan film konduktif termal graphene yang lebih tebal saat ini menjadi topik penelitian yang panas. Secara teoritis, untuk meningkatkan ketebalan film graphene, hanya film oksida graphene yang lebih tebal yang dapat diterapkan. Namun, ada masalah berikut dalam operasi yang sebenarnya: (1) Kualitas film tebal yang dibentuk oleh lapisan pisau tidak tinggi. Karena konsentrasi rendah dispersi oksida graphene (kurang dari 10%), sisa oksida graphene adalah air, yang membutuhkan waktu lama untuk menguap. Serpihan oksida graphene berinteraksi dengan molekul air melalui ikatan hidrogen, dan molekul air melarikan diri ketika mereka menguap, sehingga serpihan oksida graphene membentuk hubungan silang melalui ikatan hidrogen, membentuk film seperti "kulit susu" di permukaan. Film tipis ini memperlambat penguapan air di dalam dispersi oksida graphene, dan menyebabkan lembaran oksida graphene memiliki orientasi yang tidak konsisten, yang mengurangi kualitas film.
(2) Sulit untuk mendapatkan film tebal melalui metode satu langkah. Karena konsentrasi dispersi oksida graphene yang rendah, tidak mungkin untuk menyiapkan film oksida graphene dengan ketebalan ~ 100μm pada suatu waktu terlepas dari metode seperti lapisan pisau, lapisan spin atau penyemprotan. Luo et al. menemukan bahwa film oksida graphene masih dapat terikat satu sama lain di bawah kondisi infiltrasi air deionisasi setelah diuapkan menjadi kekeringan. Fenomena ini terjadi karena lapisan oksida graphene terhubung satu sama lain melalui ikatan hidrogen di bawah aksi air. Sehingga film graphene oxide dapat ditempelkan seperti kertas. Zhang dkk. menggunakan metode serupa untuk membengkakkan film oksida graphene yang disiapkan dalam air dan menempelkannya lapis demi lapis. Setelah pengeringan, penekanan panas, grafitisasi, dan penekanan dingin, film graphene ultra-tebal dengan ketebalan 200 μm diperoleh. Ini adalah 1224 W ∙ m-1∙K-1, dan efek disipasi panas yang diukur oleh kamera inframerah lebih baik daripada tembaga, aluminium dan film termal graphene lapisan tipis. Saat ini, ada relatif sedikit penelitian tentang persiapan film graphene konduktivitas termal tinggi setebal 100 mikron. Selain pembengkakan dan ikatan, tumpang tindih film oksida graphene juga dapat dicapai dengan metode seperti pemanasan listrik dan ikatan ion logam. Film graphene dengan ketebalan mikron dan konduktivitas termal yang tinggi memberikan ide-ide baru.
3. Outlook
Dengan pengembangan teknologi persiapan graphene skala besar, konduktivitas termal dari film graphene yang sangat konduktif termal yang disiapkan berdasarkan metode graphene oxide dapat mencapai 2000W∙ m-1∙K-1. Konduktivitas termal dari film graphene konduktivitas termal yang tinggi setara dengan film poliimida graphitized berkualitas tinggi untuk aplikasi industri, dan memiliki biaya yang lebih rendah dan pengendalian ketebalan yang lebih baik. Pada saat yang sama, graphene, sebagai pengisi konduktif termal dua dimensi, mudah untuk membangun jaringan konduktif termal tiga dimensi dalam matriks polimer, dan memiliki prospek aplikasi yang baik dalam bahan antarmuka termal. Dengan meningkatkan dispersi graphene dalam matriks polimer dan membangun jaringan konduktivitas termal graphene tiga dimensi, konduktivitas termal komposit antarmuka termal yang diisi graphene beberapa kali lebih tinggi daripada polimer, dan rasio pengisi lebih rendah daripada pengisi konduktif termal tradisional. Graphene, apakah digunakan sebagai film konduktif termal pendukung sendiri atau sebagai pengisi konduktif termal untuk bahan antarmuka termal, akan memainkan peran penting dalam generasi berikutnya dari aplikasi pembuangan panas komponen elektronik.
