Kodėl anglies nanovamzdelių šilumos laidumas toks didelis?

Šilumos valdymo ir lustų šilumos išsklaidymo srityse anglies nanovamzdeliai jau seniai buvo laikomi „išrinktaisiais“, kurie išbristi iš aklavietės. Tačiau daugelis inžinierių yra priblokšti, kai iš tikrųjų juos naudoja gamindami šilumai laidžius tepalus ar trinkeles: kaip literatūroje rasti neįtikėtini 3000 W/mK duomenys gali lemti mažiau nei 10 W/mK jų pačių rankose? Dar labiau varginantis yra didžiulis šiluminių charakteristikų skirtumas tarp dviejų to paties vamzdžio galų. Kodėl anglies nanovamzdelių šilumos laidumas yra toks didelis? Kodėl skirtumas tarp ašinės ir radialinės krypčių toks didelis? Tai jokiu būdu nėra paprastas medžiagų parametrų klausimas, bet susijęs su pagrindine kvantinio uždarymo ir fononų fizikos logika. Šiandien mes atidėsime ryškias koncepcijas ir naudosime pagrindinius duomenis, kad visiškai atskleistume CNT šilumos laidumo korteles.

1. Šilumos laidumo šaltinis: kaip anglies nanovamzdeliai užtikrina maksimalų šilumos perdavimą?

Itin aukštas anglies nanovamzdelių šilumos laidumas kyla dėl jų tobulo sp² hibridizuoto kovalentinio ryšio tinklo, kuris leidžia perduoti šilumą balistinio fonono transportavimo būdu, beveik be sklaidos nuostolių mikroskopiniu mastu.

Metalų šilumos laidumas priklauso nuo laisvųjų elektronų, o anglies nanovamzdeliai priklauso nuo fonono laidumo (gardelės vibracijos šilumos perdavimo). Kodėl anglies nanovamzdelių šilumos laidumas yra toks didelis? Šerdis slypi tobuloje grafeno lakštų valcavimo struktūroje, sudarytoje iš itin standžių anglies{1}}anglies jungčių. Kai fononai (kvantuotos gardelės virpesių bangos) sklinda išilgai vieno vamzdžio sienelės be jokių grūdelių ribų, išnirimų ar priemaišų, jų vidutinis laisvas kelias yra itin ilgas (iki mikronų skalės). Dėl šio sklaidos-laisvo „balistinio pernešimo“ šiluminė varža priartėja prie nulio ir suteikia jiems vidinę šilumos laidumo ribą, kuri pranoksta deimantą ir sidabrą.

2. Anizotropija: kodėl skirtumas tarp ašinės ir radialinės krypčių toks didelis?

Didžiulis ašinio ir radialinio šilumos laidumo skirtumas iš esmės kyla dėl ypatingos skirtingų dimensijų būsenų fononų tankio asimetrijos, kurią sukelia vienmatis kvantinio uždarymo efektas, ir dėl to, kad radialinė kryptis priklauso tik nuo itin silpnų van der Waalso jėgų.

Tai dalykas, kurį daugeliui žmonių sunku suprasti: kodėl toks skirtumas tarp to paties vamzdžio? Ašine kryptimi fononai dideliu greičiu skrenda išilgai ištisinių sp² kovalentinių ryšių be kliūčių. Radialine kryptimi (per vamzdžio sienelę) nėra nei stiprių kovalentinių ryšių, jungiančių gretimus anglies sluoksnius, nei atitinkančių fononų režimus. Radialinis šilumos perdavimas gali priklausyti tik nuo itin silpnų tarpsluoksnių van der Waals jėgų (panašių į slystančias plokštumas tarp grafito sluoksnių). Kai fononai sklinda per sluoksnius, jie patiria didelį fononų sklaidą ir režimo neatitikimą, todėl šiluminė varža didėja eksponentiškai. Tai tarsi skirtumas tarp greitkelio (ašinis) ir purvinos pelkės (radialinis).

3. Palyginimas su variu / siliciu: kas yra apšviestas nano skalėje?

Skirtingai nuo vario ir silicio, kurių šilumos laidumas priklauso nuo elektronų pernešimo, anglies nanovamzdeliai, kurių šilumos laidumo mechanizmas dominuoja fononu-, pasižymi puikiu dydžio-atsparumu ir pasižymi aukštomis -šiluminio-laidumo charakteristikomis nanoskalėje.

Kodėl anglies nanovamzdelių šilumos laidumas yra toks didelis? Privalumas tampa akivaizdesnis, palyginti su tradicinėmis medžiagomis. Vario ir silicio šilumos laidumas labai priklauso nuo elektronų. Kai linijos plotis susitraukia iki lustų jungčių nanoskalės, elektronai smarkiai išsisklaido ant paviršių ir grūdelių ribų (dydžio efektas), todėl vario šilumos laidumas sumažėja daugiau nei 50%. Tačiau CNT balistinis fononų pernešimas yra labai nejautrus nanoskalės matmenims ir išlaiko itin aukštą šilumos laidumą net žemiau 10 nm. Tuo pačiu metu CNT yra arba elektrą izoliuojantys (puslaidininkiniai vamzdžiai), arba mažo -varža, leidžiantys „izoliuoti didelį šilumos laidumą“ -, ko silicis ir varis visiškai negali pasiekti.

4. Makroskopinė dilema: kodėl jūsų išmatuotas šilumos laidumas visada yra toli?

Staigų anglies nanovamzdelių šilumos laidumo sumažėjimą makroskopiniuose kompozituose sukelia didžiulė{0}}vamzdelių kontaktinė šiluminė varža (Kapitza varža), kuri labai blokuoja fononų pernešimo kelią.

Teorija labai stipri, o tikrovė labai silpna. Vieno vamzdžio ašinis šilumos laidumas yra 3000 W/mK, tačiau į plastiką pridėjus 5 % bendras šilumos laidumas gali būti tik 1,5 W/mK. Kodėl? Mat šiluma, sklindanti per matricą, turi šokinėti iš vieno vamzdžio į kitą. Šis tarpvamzdžių tarpų ir silpnų van der Waals sąsajų kirtimo procesas sukuria itin didelį Kapitza atsparumą. Fononai atsispindi atgal, kai tik pasiekia sąsają, ir visai nepavyksta perduoti. Jei CNT vis dar yra sandariai aglomeruoti matricoje, šiluma net neturi galimybės patekti į vamzdelius, o aglomeratai tampa termoizoliacinėmis sienelėmis.

5. Gamintojo proveržis: kaip Shandong Tanfeng suteikia didžiausią CNT šilumos laidumo potencialą?

Pasitikėjimas šaltinio gamintoju, pvz., „Shandong Tanfeng“, kuris išmano pagrindines aukšto-vaizdo-santykio tinkinimo ir in-situ de{3}}supainiojimo technologijas, yra pagrindinis kelias, leidžiantis įveikti tarp-vamzdžių kontakto šiluminės varžos barjerą ir pasiekti didžiausią anglies nanovamzdelių šilumos laidumą.

Kadangi pagrindinė priežastis slypi paviršių šiluminėje varžoje ir aglomeracijoje, sprendimas yra „mažiau sutapimų, daugiau plitimo“. Kaip profesionalus CNT gamintojas, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. atveria jums šilumos laidumo kanalus nuo sintezės pabaigos:

Itin{0}}Didelis kraštinių santykis sumažina šiluminę varžą: 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. Kuo ilgesni vamzdžiai, tuo mažiau persidengiančių mazgų, o fononų, kertančių sąsajas, praradimas mažėja eksponentiškai, sukuriant ilgiausią{1}}šilumos laidumo tinklą su mažiausiai persidengimo taškų.

In-Situ De{1}}įsipainiojimas pašalina negyvas šilumos izoliacijos zonas:„Shandongo Tanfeng“, taikydama šilumos izoliacijos sienas dėl aglomeracijos, naudoja patentuotą dinaminio oro srauto in-situ de-susupimo technologiją. Milteliai yra purūs ir lengvai drėkinami, todėl vienas-vamzdis pasklinda esant mažam šlyties poveikiui pasroviui, visiškai pašalinant negyvas šilumos izoliacijos zonas ir leidžiant fononams prasiskverbti tiesiai pro juos.

Individualus paviršiaus modifikavimas ir įklijavimas:Siekdama dar labiau sumažinti sąsajos šiluminę varžą tarp CNT ir dervos matricos, „Shandong Tanfeng“ siūlo paviršiaus funkcinių grupių tinkinimą ir didelio -kieto- turinio iš anksto{2}}dispersines pastas. Naudojant cheminį ryšį „minkštas nusileidimas“, fononai sklandžiai perkeliami iš matricos į CNT greitkelį. Išmatuoti rezultatai rodo, kad vazoninių mišinių/terminių tepalų šilumos laidumas gali būti pagerintas daugiau nei 300%.

Išvada

Grįžtant prie pagrindinių klausimų: kodėl šilumos laidumas yraanglies nanovamzdeliaitaip aukštai? Kodėl skirtumas tarp ašinės ir radialinės krypčių toks didelis? Tai fizinis stebuklas, sukurtas balistinio fonono pernešimo ir vieno{0}}matmens kvantinio uždarymo, veikiančio kartu. Ašinio kovalentinio ryšio greitkelis ir radialinė van der Waals purvo pelkė sudaro jos ekstremalią anizotropiją. Prastas makroskopinių programų veikimas yra ne dėl to, kad CNT yra netinkami, o dėl to, kad tarp vamzdžių šiluminė varža nutraukia fonono kelią. Atpažinus šią realybę ir pasikliaujant aukštu-aspekto-santykiu, in-situ de-įpainiojimu ir sąsajos modifikavimo technologijomis, kurias siūlo šaltinio gamintojas, pvz., Shandong Tanfeng, gali padėti įveikti atotrūkį nuo mikroskopinio iki makroskopinio, todėl anglies nanovamzdeliai iš tiesų tampa galutiniu terminio valdymo ginklu.