Issiqlik boshqaruvi va chip issiqlik tarqalishi doiralarida uglerod nanotubalari uzoq vaqtdan beri o'likdan chiqish uchun "tanlangan" deb hisoblangan. Biroq, ko'plab muhandislar issiqlik o'tkazuvchan yog'lar yoki prokladkalar ishlab chiqarish uchun ulardan foydalanganda hayratda qolishadi: adabiyotda topilgan 3000 Vt / mK aql bovar qilmaydigan ma'lumotlar qanday qilib o'z qo'llarida 10 Vt / mK dan kam bo'lishi mumkin? Xuddi shu trubaning ikki uchi o'rtasidagi issiqlik ko'rsatkichlarining o'ta farqi yanada asabiylashadi. Nima uchun uglerod nanotubalarining issiqlik o'tkazuvchanligi shunchalik yuqori? Nima uchun eksenel va radial yo'nalishlar o'rtasidagi farq juda katta? Bu hech qanday oddiy moddiy parametr masalasi emas, balki kvant qamog'i va fonon fizikasining asosiy mantiqini o'z ichiga oladi. Bugun biz yorqin tushunchalarni chetga surib qo'yamiz va CNTlarning issiqlik o'tkazuvchanlik kartalarini to'liq ochib berish uchun qattiq ma'lumotlardan foydalanamiz.
1. Issiqlik o'tkazuvchanligining manbai: uglerod nanotubalari eng yuqori issiqlik uzatishga qanday erishadi?
Uglerod nanotubalarining juda yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi ularning mukammal sp² gibridlangan kovalent bog'lanish tarmog'idan kelib chiqadi, bu esa issiqlikni mikroskopik miqyosda deyarli hech qanday tarqalish yo'qotmasdan ballistik fonon transporti orqali uzatish imkonini beradi.
Metalllar issiqlik o'tkazuvchanligi uchun erkin elektronlarga tayanadi, uglerod nanotubalari esa fonon o'tkazuvchanligiga (panjara tebranish issiqlik uzatish) tayanadi. Nima uchun uglerod nanotubalarining issiqlik o'tkazuvchanligi shunchalik yuqori? Yadro ularning o'ta qattiq uglerod-bog'lari orqali hosil bo'lgan grafen plitasining mukammal tuzilishida yotadi. Fononlar (kvantlangan panjarali tebranish to'lqinlari) bitta trubka devori bo'ylab hech qanday don chegaralari, dislokatsiyalar yoki aralashmalarsiz tarqalsa, ularning o'rtacha erkin yo'li juda uzun (mikron shkalasigacha). Ushbu tarqalish{4}}erkin "ballistik tashish" issiqlik qarshiligini nolga yaqinlashtiradi va ularga olmos va kumushdan ham oshib ketadigan ichki issiqlik o'tkazuvchanlik chegarasini beradi.
| Material turi | Issiqlik o'tkazuvchanlik mexanizmi | Xona haroratining ichki issiqlik o'tkazuvchanligi | O'rtacha erkin yo'l | Vakolatli manba/ma'lumotlarga havola |
|---|---|---|---|---|
| Yagona-devorli uglerod nanotube (SWCNT) | Fonon transporti (balistik) | 3000 - 6600 Vt/mK | ~1 μm | Fan (Pop va boshqalar) |
| Koʻp-devorli uglerod nanotubi (MWCNT) | Fonon transporti | 2000 - 3000 Vt/mK | Yuzlab nm | Jismoniy tekshiruv B |
| Olmos | Fonon transporti | ~2200 Vt/mK | ~300 nm | Klassik termodinamika bo'yicha qo'llanma |
| Kumush / mis | Elektronlarni tashish | 430/400 Vt/mK | O'nlab nm | Materialning issiqlik o'tkazuvchanligi ko'rsatkichi |
2. Anizotropiya: nega eksenel va radial yo'nalishlar o'rtasidagi farq shunchalik katta?
Eksenel va radial issiqlik o'tkazuvchanligining katta farqi, asosan, bir o'lchovli kvant ta'siridan kelib chiqadigan turli o'lchamlardagi fonon zichligining haddan tashqari assimetriyasidan va radial yo'nalish faqat o'ta zaif Van-der-Vaals kuchlariga tayanishidan kelib chiqadi.
Buni ko'pchilik tushunish qiyin: bir xil quvur uchun nima uchun farq juda katta? Eksenel yo'nalishda fononlar to'siqsiz uzluksiz sp² kovalent aloqalar bo'ylab yuqori tezlikda uchadi. Radial yo'nalishda (quvur devori orqali) qo'shni uglerod qatlamlarini bog'laydigan kuchli kovalent aloqalar ham, mos keladigan fonon rejimlari ham mavjud emas. Radial issiqlik uzatish faqat o'ta zaif qatlamlararo Van der Waals kuchlariga tayanishi mumkin (grafit qatlamlari orasidagi sirpanish tekisliklariga o'xshash). Fononlar qatlamlar bo'ylab tarqalganda, ular kuchli fonon tarqalishiga va rejimning mos kelmasligiga olib keladi, bu esa issiqlik qarshiligini eksponent ravishda oshiradi. Bu avtomagistral (eksenel) va loyli botqoq (radial) o'rtasidagi farqga o'xshaydi.
| Issiqlik o'tkazuvchanligi o'lchovi xususiyati | Eksenel | Radial | Fizik mexanizmni tushuntirish |
|---|---|---|---|
| Issiqlik uzatish yo'li | Quvur devorining uzluksiz kovalent aloqalari bo'ylab | Qatlamlararo/quvurlararo{0}}bo'shliqlar bo'ylab | Bogʻlanish energiyasi farqi: C=C bogʻ (~614 kJ/mol) va van der Vaals kuchlari (bir necha kJ/mol) |
| Fononning tarqalishi | Juda zaif (balistik mintaqa) | Juda kuchli (fonon nomuvofiqligi) | Holatlarning radial fonon zichligi juda past, tebranishlarni samarali birlashtira olmaydi |
| O'lchangan issiqlik o'tkazuvchanligi | >3000 Vt/mK | ~1,5 Vt/mK | Tabiat Nanotexnologiyasi o'lchanadigan qiymatlar |
| Anizotropiya nisbati | Asosiy 1 | 2000:1 gacha | Haddan tashqari bir oʻlchovli chegaralangan issiqlik oʻtkazuvchanlik xususiyati- |
3. Mis/kremniy bilan taqqoslash: Nano miqyosda kim ta'sir qiladi?
Issiqlik o'tkazuvchanligi uchun elektron tashishga tayanadigan mis va kremniydan farqli o'laroq, uglerod nanotubalari o'zlarining fononlari ustunlik qiladigan issiqlik o'tkazuvchanlik mexanizmi-bo'lib, nano darajada yuqori o'lcham-ta'sirga chidamlilik va yuqori{2}}izolyatsion{2}}issiqlik{3}}o'tkazuvchanlik xususiyatlarini namoyish etadi.
Nima uchun uglerod nanotubalarining issiqlik o'tkazuvchanligi shunchalik yuqori? An'anaviy materiallar bilan solishtirganda afzallik yanada aniqroq bo'ladi. Mis va kremniyning issiqlik o'tkazuvchanligi elektronlarga juda bog'liq. Chiziq kengligi mikrosxemalar o'zaro bog'lanishining nano o'lchamiga qisqarganda, elektronlar yuzalar va don chegaralarida shiddatli tarzda tarqaladi (o'lcham effekti), misning issiqlik o'tkazuvchanligini 50% dan ko'proq pasayishiga olib keladi. Biroq, CNTlarning ballistik fonon tashishi nano o'lchamlarga juda befarq bo'lib, 10 nm dan pastroqda ham ultra-yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini saqlab qoladi. Shu bilan birga, CNTlar yoki elektr izolyatsiyasi (yarim o'tkazgich quvurlari) yoki past-qarshilikka ega bo'lib, "yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini izolyatsiya qiluvchi" - narsaga kremniy va mis mutlaqo erisha olmaydi.
| Nanoqurilmaning issiqlik o'tkazuvchanligini taqqoslash | Mis | Silikon | Uglerod nanotubalari | Xulosa |
|---|---|---|---|---|
| Issiqlik tashuvchisi | Elektronlar | Elektronlar + fononlar | Fononlar | CNTlarda Joule isitish birikmasi yo'q |
| Nano miqyosdagi zaiflashuv | Juda og'ir (o'lchamli ta'sir) | Og'ir | Juda ozgina (balistik mintaqaning zaiflashuviga qarshi-) | CNTlar o'zaro bog'langan issiqlik o'tkazuvchanligi uchun birinchi tanlovdir |
| Elektrotermik ulanish | Yuqori o'tkazuvchanlik=yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi | O'rta | Yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga / izolyatsiyasiga erishish mumkin | Termal prokladkalar/kostryulkalar uchun yagona yechim |
| Termal kengayish moslashuvi | Yomon (termik stress yorilishiga moyil) | Bechora | Zo'r (polimer matritsasi bilan mos keladi) | Shandong Tanfeng laboratoriya dastur ma'lumotlari |
4. Makroskopik dilemma: Nima uchun sizning o'lchangan issiqlik o'tkazuvchanligingiz har doim juda past bo'ladi?
Makroskopik kompozitsiyalardagi uglerod nanotubalarining issiqlik o‘tkazuvchanligining keskin pasayishi fononlarni tashish yo‘lini qattiq to‘sib qo‘yuvchi -quvurlar orasidagi aloqa katta issiqlik qarshiligi (Kapitsa qarshiligi) tufayli yuzaga keladi.
Nazariya nihoyatda kuchli, lekin haqiqat juda zaif. Bitta trubaning eksenel issiqlik o'tkazuvchanligi 3000 Vt / mK, lekin plastmassaga 5% qo'shilishi faqat 1,5 Vt / mK umumiy issiqlik o'tkazuvchanligiga olib kelishi mumkin. Nega? Chunki matritsa orqali tarqaladigan issiqlik bir naychadan ikkinchisiga o'tishi kerak. Quvurlararo bo'shliqlar va zaif Van der Waals interfeyslarini kesib o'tish jarayoni juda yuqori Kapitsa qarshiligini keltirib chiqaradi. Fononlar interfeysga etib borishi bilan orqaga qaytariladi va umuman uzatilmaydi. Agar CNTlar hali ham matritsada mahkam aglomeratsiyalangan bo'lsa, issiqlik quvurlarga kirish imkoniga ega bo'lmaydi va aglomeratlar issiqlik izolyatsiya qiluvchi devorlarga aylanadi.
| Kompozit material holati | CNT dispersiya holati | Interfaal kontaktli termal qarshilik | Makroskopik issiqlik o'tkazuvchanligini yaxshilash effekti | Ishlab chiqarish liniyasining og'riqli nuqtalari |
|---|---|---|---|---|
| Ideal Model | Yagona quvur-bir-biriga mos kelishi | Juda past | 5wt% addition improves >500% | Faqat nazariy simulyatsiyalarda mavjud |
| An'anaviy quruq kukun qo'shilishi | Qattiq qattiq aglomeratsiya | Juda yuqori (fononning umumiy aks etishi) | 5 wt% qo'shilishi yaxshilanadi<30% | Yopishqoqlik ko'tariladi, ishlov berish qiyin |
| Kuchli ultratovush dispersiyasi | Buzilgan quvurlar + qoldiq aglomeratlar | O'rta | Yaxshilanish cheklangan va beqaror | Juda past ishlab chiqarish quvvati, masshtablash mumkin emas |
5. Ishlab chiqaruvchining yutuqlari: Shandong Tanfeng CNTlarning yakuniy issiqlik o'tkazuvchanlik potentsialini qanday etkazib beradi?
Shandong Tanfeng kabi manba ishlab chiqaruvchiga tayanib, yuqori{0}}nisbatlar-nisbatlarini moslashtirish va in{2}}situ de{3}}bo‘lib o‘tishning asosiy texnologiyalarini o‘zlashtirgan holda, quvurlar orasidagi issiqlik qarshiligi to‘sig‘ini kesib o‘tish va uglerod nanotubliklarining yakuniy issiqlik o‘tkazuvchanligini amalga oshirishning asosiy yo‘li hisoblanadi.
Asosiy sabab fazalararo termal qarshilik va aglomeratsiyada bo'lganligi sababli, yechim "kamroq bir-biriga yopishib, ko'proq tarqaladi". Professional CNT ishlab chiqaruvchisi sifatida Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. sintez oxiridan siz uchun issiqlik o'tkazuvchanlik kanallarini ochadi:
Ultra-Yuqori nisbati issiqlik qarshiligini pasaytiradi: 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. Quvurlar qanchalik uzun bo'lsa, bir-biriga yopishgan tugunlar shunchalik kam bo'ladi va fononlarni kesib o'tuvchi interfeyslarni yo'qotish eksponensial ravishda kamayadi, bu esa eng kam yopish nuqtalari bilan eng uzun{1}}issiqlik o'tkazuvchanlik tarmog'ini quradi.
In-Situ De- chigallik issiqlik izolatsiyasining o'lik zonalarini yo'q qiladi:Aglomeratsiya natijasida yuzaga kelgan issiqlik izolyatsiyasi devorlarini maqsad qilib olgan Shandong Tanfeng xususiy dinamik havo oqimining-situ de-oʻralash texnologiyasidan foydalanadi. Kukun yumshoq va oson ho'llanadi, bu bir{3}}trubaning past siljish ostida quyi oqimga tarqalishiga imkon beradi, issiqlik izolatsiyasining o'lik zonalarini butunlay yo'q qiladi va fononlarning to'g'ridan-to'g'ri o'tishiga imkon beradi.
Moslashtirilgan sirtni o'zgartirish va joylashtirish:CNT va qatron matritsasi o'rtasidagi interfaal termal qarshilikni yanada kamaytirish uchun Shandong Tanfeng sirt funktsional guruhini moslashtirish va yuqori{0}}qattiq{1}}tarkibli{2}}tarqalgan pastalarni taqdim etadi. Kimyoviy bog'lanish "yumshoq qo'nish" orqali fononlar matritsadan CNT magistraliga muammosiz uzatiladi. O'lchangan natijalar shuni ko'rsatadiki, qozon aralashmalari / termal yog'larning issiqlik o'tkazuvchanligi 300% dan ko'proq yaxshilanishi mumkin.
Asosiy savollarga qaytish: nima uchun issiqlik o'tkazuvchanligiuglerod nanotubalarishunchalik balandmi? Nima uchun eksenel va radial yo'nalishlar o'rtasidagi farq juda katta? Bu ballistik fonon transporti va bir{0}}oʻlchovli kvantning birgalikda ishlashi natijasida yaratilgan jismoniy moʻjizadir. Eksenel kovalent bog'lanish magistrali va radial van der Waals loy botqog'i uning ekstremal anizotropiyasini tashkil qiladi. Makroskopik ilovalardagi yomon ishlash CNTlarning etarli emasligida emas, balki quvurlararo issiqlik qarshiligi fonon yo'lini kesib tashlaganligidadir. Ushbu voqelikni tan olish va Shandong Tanfeng kabi manba ishlab chiqaruvchining yuqori{5}}aspekt{6}}nisbati, in{7}}situ de-oʻzaro bogʻliqligi va interfeysni oʻzgartirish texnologiyalariga tayanib, mikroskopikdan makroskopikgacha boʻlgan boʻshliqni kesib oʻtishga yordam beradi va uglerod nanotubalarini boshqarishda haqiqiy qurolga aylantiradi.