石墨烯應用技術

石墨烯應用技術

熱傳導過程采取擴散形式，但各種材料的導熱機理是不同的。學者對材料的導熱機理進行了詳細的石墨熱場討論。固體內部的導熱載體分別為電子、聲子(點陣波) 、光子(電磁輻射)等三種。對聚合物而言，通常為飽和體系，無自由電子，導熱載體為聲子，熱傳導主要依靠晶格振動。聚合物相對分子質量很大，具有多分散性，分子鏈則以無規則纏結方式存在，難以完全結晶，再加上分子鏈的振動對聲子有散射作用，使聚合物材料的熱導率很小。

傳統要使聚合物具有更好的熱導率，可通過以下二種方式進行改性：
(1) 合成具有高熱導率的聚合物；
(2) 用高熱導率物質填充聚合物，制備聚合物基導熱復合材料。生產實踐中通常采用添加高熱導率填料的方式來提高高分子材料的熱導率，得到導熱高分子復合材料。

填充型導熱塑料的導熱機理包括：
A. 導熱塑料的導熱性能取決于聚合物和導熱填料的相互作用，也就是解決界面技術及滲濾閾值的選定；
B. 填料種類不同其導熱機理不同。其中，金屬填料是靠電子運動進行導熱；非金屬填料主要依靠聲子導熱，其熱能擴散速率主要取決于鄰近原子或結合基團的振動。
C. 導熱填料對導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熱機理。

我們現在談到石墨烯，世界上最好的導熱材料，但基本上就是要先判斷是金屬還是非金屬填料后，再來討論合適的導熱機理。石墨烯被定義為「半金屬」，從材料的角度來看，石墨烯每個碳原子透過 σ 鍵與相鄰的三個碳原子連接，而每個碳原子剩下一個未成鍵的 π 電子與周圍的原子形成大 p 共軛結構，這樣 π 電子就能在石墨烯整個晶體結構中自由運動。這時候，電子透過 p 軌道重迭而發生離域，產生價帶充滿電子地延伸 π 系統。但電子在晶體上并不是完全自由運動的，是受「勢場」與「聲子」影響。所以，石墨烯兼具「電子運動」及「聲子導熱」兩種導熱機理。

石墨烯的熱傳導率隨著樣本大小呈對數遞增。石墨烯越長，每長度單位傳遞的熱越多，這點我們可以把它視為因為長度較大，相同傳遞路徑下相對較短導致，這是二維碳原子層材料所發現另一個獨一無二的屬性。

石墨烯垂直于平面之熱傳導率由于聲子受到邊界散射的影響，會隨著石墨烯層數增加而降低。聲子是晶格振動的量子化形式，但當兩個晶體有邊界不對齊時，熱傳遞數值僅為1╱10。復合材料導熱性能的影響因素包括﹕石墨烯添加量、層數、基體種類及界面阻力，大致上還是遵循這個機制。

在某種導熱差的材料中加入石墨烯，導熱變化會很大么？這個問題就是涉及這么多的變量要考慮！由于石墨烯多是以復材型態呈現，首先要考慮的因子就是石墨烯與基材間的「界面阻力」問題，再來考慮「層數」及「橫向尺度」，最后才會去考慮「滲濾閾值」及「性價比」。要記住，不同石墨烯要配合不同基材、功能要求，這個概念要先建立。