石墨烯應(yīng)用技術(shù)

石墨烯應(yīng)用技術(shù)

熱傳導(dǎo)過(guò)程采取擴(kuò)散形式，但各種材料的導(dǎo)熱機(jī)理是不同的。學(xué)者對(duì)材料的導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的石墨熱場(chǎng)討論。固體內(nèi)部的導(dǎo)熱載體分別為電子、聲子(點(diǎn)陣波) 、光子(電磁輻射)等三種。對(duì)聚合物而言，通常為飽和體系，無(wú)自由電子，導(dǎo)熱載體為聲子，熱傳導(dǎo)主要依靠晶格振動(dòng)。聚合物相對(duì)分子質(zhì)量很大，具有多分散性，分子鏈則以無(wú)規(guī)則纏結(jié)方式存在，難以完全結(jié)晶，再加上分子鏈的振動(dòng)對(duì)聲子有散射作用，使聚合物材料的熱導(dǎo)率很小。

傳統(tǒng)要使聚合物具有更好的熱導(dǎo)率，可通過(guò)以下二種方式進(jìn)行改性：
(1) 合成具有高熱導(dǎo)率的聚合物；
(2) 用高熱導(dǎo)率物質(zhì)填充聚合物，制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料。生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用添加高熱導(dǎo)率填料的方式來(lái)提高高分子材料的熱導(dǎo)率，得到導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。

填充型導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱機(jī)理包括：
A. 導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱性能取決于聚合物和導(dǎo)熱填料的相互作用，也就是解決界面技術(shù)及滲濾閾值的選定；
B. 填料種類不同其導(dǎo)熱機(jī)理不同。其中，金屬填料是靠電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)熱；非金屬填料主要依靠聲子導(dǎo)熱，其熱能擴(kuò)散速率主要取決于鄰近原子或結(jié)合基團(tuán)的振動(dòng)。
C. 導(dǎo)熱填料對(duì)導(dǎo)熱性能影響因素包括：填料種類、填料形體和粒徑、填料含量、填料表面處理方式及導(dǎo)熱機(jī)理。

我們現(xiàn)在談到石墨烯，世界上最好的導(dǎo)熱材料，但基本上就是要先判斷是金屬還是非金屬填料后，再來(lái)討論合適的導(dǎo)熱機(jī)理。石墨烯被定義為「半金屬」，從材料的角度來(lái)看，石墨烯每個(gè)碳原子透過(guò) σ 鍵與相鄰的三個(gè)碳原子連接，而每個(gè)碳原子剩下一個(gè)未成鍵的 π 電子與周圍的原子形成大 p 共軛結(jié)構(gòu)，這樣 π 電子就能在石墨烯整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中自由運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候，電子透過(guò) p 軌道重迭而發(fā)生離域，產(chǎn)生價(jià)帶充滿電子地延伸 π 系統(tǒng)。但電子在晶體上并不是完全自由運(yùn)動(dòng)的，是受「勢(shì)場(chǎng)」與「聲子」影響。所以，石墨烯兼具「電子運(yùn)動(dòng)」及「聲子導(dǎo)熱」兩種導(dǎo)熱機(jī)理。

石墨烯的熱傳導(dǎo)率隨著樣本大小呈對(duì)數(shù)遞增。石墨烯越長(zhǎng)，每長(zhǎng)度單位傳遞的熱越多，這點(diǎn)我們可以把它視為因?yàn)殚L(zhǎng)度較大，相同傳遞路徑下相對(duì)較短導(dǎo)致，這是二維碳原子層材料所發(fā)現(xiàn)另一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的屬性。

石墨烯垂直于平面之熱傳導(dǎo)率由于聲子受到邊界散射的影響，會(huì)隨著石墨烯層數(shù)增加而降低。聲子是晶格振動(dòng)的量子化形式，但當(dāng)兩個(gè)晶體有邊界不對(duì)齊時(shí)，熱傳遞數(shù)值僅為1╱10。復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響因素包括﹕石墨烯添加量、層數(shù)、基體種類及界面阻力，大致上還是遵循這個(gè)機(jī)制。

在某種導(dǎo)熱差的材料中加入石墨烯，導(dǎo)熱變化會(huì)很大么？這個(gè)問(wèn)題就是涉及這么多的變量要考慮！由于石墨烯多是以復(fù)材型態(tài)呈現(xiàn)，首先要考慮的因子就是石墨烯與基材間的「界面阻力」問(wèn)題，再來(lái)考慮「層數(shù)」及「橫向尺度」，最后才會(huì)去考慮「滲濾閾值」及「性價(jià)比」。要記住，不同石墨烯要配合不同基材、功能要求，這個(gè)概念要先建立。