Thermal conductivity of Graphene, the best in the world
- Vorapat Polcharoensook
- Nov 17, 2023
- 2 min read
Updated: Nov 18, 2023
กราฟีนเป็นวัสดุสองมิติที่มีโครงสร้างอะตอมคาร์บอนแบบหกเหลี่ยม ส่งผลให้มีคุณสมบัติพิเศษที่แตกต่างจากวัสดุอื่นๆ [1]. คือมีค่าการนำไฟฟ้าสูงมาก ตัวนำประจุสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในโครงสร้างของมัน [2]. นอกจากนี้ กราฟีนยังมีค่าการนำความร้อนที่น่าทึ่งประมาณ 4000 W/mK ทำให้เป็นหนึ่งในตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดที่รู้จักกันจนถึงปัจจุบัน [3]. รวมถึงความแข็งแรงและความยืดหยุ่นสูง ทำให้กราฟีนเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมสูงในอุตสาหกรรมต่างๆ
การนำความร้อนเป็นคุณสมบัติสำคัญในวัสดุศาสตร์ ในกรณีของกราฟีน การนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมของมันสามารถนำมาประกอบกับค่าเฉลี่ยเส้นทางอิสระของโฟนอนโดยธรรมชาติ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 700 นาโนเมตรใกล้กับอุณหภูมิห้อง [1]. ซึ่งหมายความว่าอนุภาคที่นำความร้อน ซึ่งเรียกว่าโฟนอน สามารถเดินทางได้ไกลโดยไม่ถูกกระจัดกระจายหรือดูดซับ ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพทั่วทั้งวัสดุ นอกจากนี้ การนำความร้อนของกราฟีนยังสามารถได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่างๆ เช่น อัตราส่วนไอโซโทปและข้อบกพร่องทางโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น กราฟีน 12C ที่บริสุทธิ์ทางไอโซโทปมีการนำความร้อนสูงกว่าอัตราส่วนไอโซโทป 50:50 หรืออัตราส่วนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ 99:1 [5]
การนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมของกราฟีนมีศักยภาพมหาศาลสำหรับการใช้งานต่างๆ ในวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น เคลือบกราฟีนถูกใช้เพื่อเพิ่มการนำความร้อนของพลาสติกโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลท (PET) ทั่วไปได้ถึง 600 เท่า [6]. การปรับปรุงการนำความร้อนนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการเก็บความร้อนและการดึงความร้อนในวัสดุเก็บความร้อนด้วยความร้อนได้อย่างมาก [4]. นอกจากนี้ กราฟีนสามารถให้ความร้อนได้โดยใช้กระแสไฟฟ้า ทำให้เกิดความต้านทานของวัสดุในการสร้างความร้อน ซึ่งคล้ายกับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้า คุณสมบัตินี้สามารถปูทางไปสู่การใช้งานที่ล้ำสมัยในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ พลังงาน และอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่ต้องการโซลูชั่นการจัดการความร้อนขั้นสูง
เปรียบเทียบการนำความร้อนของกราฟีนกับวัสดุอื่นๆ
กราฟีนเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องของการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม เหนือกว่าตัวนำความร้อนสูงอื่นๆ เช่น ทองแดง เงิน และเพชร [3][4]. ตัวอย่างเช่น ทองแดง ซึ่งถือว่าเป็นตัวนำความร้อนที่ดี มีการนำความร้อน 400 W/mK [4]. ในทางกลับกัน กราฟีนแสดงการนำความร้อนที่น่าทึ่งประมาณ 4000 W/mK [3]. คุณสมบัติที่น่าทึ่งนี้ของกราฟีนทำให้ได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุดในโลก [7] เพื่อให้เข้าใจความสำคัญของการเปรียบเทียบนี้ สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาประเด็นสำคัญต่อไปนี้: - การนำความร้อนของกราฟีนสูงกว่าทองแดง 10 เท่า [4][3]. - การนำความร้อนของกราฟีนนั้นเหนือกว่าแม้กระทั่งเพชร ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในการถ่ายเทความร้อนที่ยอดเยี่ยม [3]. - โครงสร้างโครงตาข่ายหกเหลี่ยมแบบสองมิติที่ไม่เหมือนใครของกราฟีนนั้นมีส่วนทำให้การนำความร้อนที่ไม่มีใครเทียบได้กับวัสดุแบบดั้งเดิม [11]
ข้อดีของการนำความร้อนของกราฟีน ได้แก่: - การจัดการความร้อนที่ดียิ่งขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นและอายุการใช้งานยาวนานขึ้น [12]. - ศักยภาพสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง [14]. - การประยุกต์ใช้ที่ล้ำสมัยในด้านนาโนเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์วัสดุ เช่น การพัฒนาคอมโพสิตและการเคลือบความร้อนขั้นสูง [3]
การใช้งานของการนำความร้อนของกราฟีน
การนำความร้อนสูงของกราฟีนทำให้เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ [3]. ความแข็งแรงที่เหนือกว่า ความคล่องตัวของอิเล็กตรอน และความสามารถในการนำความร้อนมีศักยภาพที่จะปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ [15]. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การนำความร้อนของกราฟีน ซึ่งเกิน 3000 W/mK ใกล้กับอุณหภูมิห้องสำหรับเกล็ดขนาดใหญ่ นั้นสูงกว่าทองแดง (Cu) อย่างมาก [16]. สิ่งนี้ทำให้กราฟีนสามารถจัดการการกระจายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเสี่ยงต่อการร้อนเกินไปและยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน
อีกสาขาหนึ่งที่มีแนวโน้มสำหรับการประยุกต์ใช้การนำความร้อนของกราฟีนคือการจัดเก็บพลังงาน [17]. การนำความร้อนสูงของกราฟีน รวมกับความเสถียรของมัน ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน เช่น แบตเตอรี่และซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ประโยชน์บางประการที่อาจเกิดขึ้นจากการรวมกราฟีนเข้ากับอุปกรณ์เหล่านี้ ได้แก่: - การจัดการความร้อนที่ดียิ่งขึ้น ส่งผลให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้นและลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย - อัตราการชาร์จและคายประจุที่เพิ่มขึ้น ช่วยให้ถ่ายโอนพลังงานได้เร็วขึ้น - ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น ช่วยให้สามารถจัดเก็บพลังงานได้มากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กกว่า การปรับปรุงเหล่านี้สามารถยกระดับประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานอย่างมาก ซึ่งมีโอกาสในการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า ระบบพลังงาน
การนำความร้อนสูงของกราฟีนยังทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน [14] ในฐานะที่เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการนำความร้อนที่ดีที่สุดในบรรดาสารคาร์บอน กราฟีนมีศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบถ่ายเทความร้อน [18]. นาโนฟลูอิดที่ใช้กราฟีนได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีการนำความร้อนและคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน [19]. ข้อดีบางประการของการใช้กราฟีน- นาโนฟลูอิดในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ได้แก่: - อัตราการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพด้านพลังงานเพิ่มขึ้น - ลดขนาดและน้ำหนักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้สามารถออกแบบได้กะทัดรัดและเบาขึ้น - เพิ่มความทนทานต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อน ส่งผลให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้น
ด้วยการรวมกราฟีนเข้ากับระบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน วิศวกรสามารถพัฒนาโซลูชั่นการให้ความร้อนและระบายความร้อนที่ประหยัดพลังงาน ทนทาน และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น [20]
ประโยชน์และข้อจำกัด
ประโยชน์: 1. การนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม: กราฟีนมีการนำความร้อนที่เหนือชั้นซึ่งสูงกว่าวัสดุอื่นที่รู้จักทั้งหมด สิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 2. น้ำหนักเบาและยืดหยุ่น: แม้จะมีความแข็งแรงและการนำความร้อน แต่กราฟีนก็ยังเบาและยืดหยุ่นอย่างเหลือเชื่อ คุณสมบัตินี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าไปจนถึงอวกาศ 3. ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น: ด้วยการนำความร้อนสูง อุปกรณ์ที่ทำด้วยกราฟีนสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดความเสียหายจากความร้อน
ข้อจำกัด: 1. ต้นทุนการผลิตสูง: การผลิตกราฟีนคุณภาพสูงเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีต้นทุนสูง สิ่งนี้ทำให้เข้าถึงได้น้อยกว่าสำหรับการใช้งานที่แพร่หลาย 2. ความท้าทายในการรวมเข้า: การรวมกราฟีนเข้ากับเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่สามารถทำได้ยากเนื่องจากคุณสมบัติที่ไม่เหมือนใคร
แนวทางแก้ไข: 1. วิธีการผลิตที่คุ้มทุน: นักวิจัยกำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อพัฒนาวิธีการที่คุ้มทุนในการผลิตกราฟีนคุณภาพสูง วิธีการเหล่านี้อาจทำให้กราฟีนสามารถเข้าถึงได้มากขึ้นสำหรับการใช้งานที่แพร่หลาย 2. เทคนิคการรวมเข้าขั้นสูง: ในขณะที่ความเข้าใจของเรากราฟีนเพิ่มขึ้น เทคนิคใหม่ๆ สำหรับการรวมเข้ากับเทคโนโลยีที่มีอยู่กำลังได้รับการพัฒนา เทคนิคเหล่านี้อาจทำให้การใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติพิเศษของกราฟีนได้อย่างเต็มประโยชน์
สรุป: กราฟีนได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีการนำความร้อนสูงที่สุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด คุณสมบัติพิเศษและการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมทำให้เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานต่างๆ ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ การจัดเก็บพลังงาน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การใช้ประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นจากการนำความร้อนของกราฟีนนั้นมากมาย และข้อดีเหนือวัสดุแบบดั้งเดิมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง คาดว่าการใช้งานและการประยุกต์ใช้กราฟีนจะยังคงขยายตัวต่อไป
Comments