Grafen varmefilm har dukket opp som en revolusjonerende teknologi innen termisk styring, og finner anvendelser i smarte hjem, medisinsk utstyr, industrielle varmesystemer og bærbar elektronikk. I motsetning til tradisjonelle varmematerialer som nikkel-krom-legeringer eller karbonfibre, som ofte lider av lav energieffektivitet, ujevn oppvarming og kort levetid, utnytter grafenfilm de unike fysiske egenskapene til grafen for å levere overlegen ytelse. 

Strukturelle og elektriske egenskaper til grafen: Grunnlaget for varmeytelse

Oppvarmingsevnen til grafen-varmefilm stammer fra grafens særegne atomstruktur og eksepsjonelle elektriske egenskaper. Grafen ble først isolert i 2004 av Andre Geim og Konstantin Novoselov (som senere vant Nobelprisen i fysikk for dette arbeidet), og er et todimensjonalt (2D) materiale som består av et enkelt lag med karbonatomer arrangert i et sekskantet gitter. Hvert karbonatom i dette gitteret danner tre sterke kovalente bindinger med tilstøtende karbonatomer gjennom sp²-hybridisering, slik at ett ubundet p-orbitalelektron kan bevege seg fritt over materialets plan. Denne strukturelle egenskapen er nøkkelen til grafens elektriske ledningsevne, som er langt bedre enn konvensjonelle ledere.

Ved romtemperatur viser grafen en elektronmobilitet på omtrent 200,000 100 cm²/(V·s), mer enn 2 ganger høyere enn kobber, et vanlig brukt ledende materiale. Denne høye elektronmobiliteten betyr at elektroner kan strømme gjennom grafen med minimal spredning, noe som reduserer energitap og sikrer effektiv strømfordeling. I motsetning til bulkkarbonmaterialer eller karbonnanorør, eliminerer grafens XNUMXD-struktur elektronspredning forårsaket av korngrenser eller bulkdefekter (når det syntetiseres med høy renhet), slik at elektroner kan bevege seg jevnt over filmens overflate. Denne ensartetheten er kritisk for oppvarmingsapplikasjoner, da den forhindrer lokaliserte motstandstopper som ellers ville ført til overoppheting eller "hotspots".

I tillegg er grafens elektriske motstand iboende lav. For et enkeltlags grafenark med høy renhet kan arkmotstanden (et mål på motstand per arealenhet) være så lav som 31 Ω/kvadrat. Denne lave motstanden sikrer at når en elektrisk strøm påføres grafen varmefilm, avgir ikke materialet overflødig energi som bortkastet varme på grunn av høy motstand. I stedet konverterer det elektrisk energi til brukbar termisk energi på en kontrollert måte. I praktiske anvendelser er grafenvarmefilmer ofte sammensatt av flere lag med grafen (vanligvis 5–10 lag) for å balansere konduktivitet, mekanisk styrke og kostnad, selv om de sentrale elektriske egenskapene som er avledet fra enkeltlagsstrukturen forblir intakte. Sammen danner disse strukturelle og elektriske egenskapene grunnlaget for grafens evne til å generere varme effektivt og jevnt.

Etter å ha etablert de strukturelle og elektriske grunnlagene som gjør at grafen-varmefilmer kan fungere, er det viktig å dykke ned i de spesifikke fysiske mekanismene som omdanner elektrisk energi til brukbar varme – en prosess som skiller grafen fra tradisjonelle varmematerialer. I motsetning til nikkel-krom-legeringer, som utelukkende er avhengige av Joule-oppvarming med høy motstand og ujevn varmefordeling, muliggjør grafens unike egenskaper en mer sofistikert og effektiv energiomdanningsprosess, som kombinerer Joule-oppvarming med optimalisert termisk stråling og konduksjon. Denne mangesidige mekanismen utforskes i den følgende delen.

Kjerneoppvarmingsmekanismer for grafenvarmefilmer: Fra elektrisk energi til termisk energiomdanning

Den primære mekanismen som grafen-varmefilmer genererer varme med er Joule-oppvarmingseffekt (også kjent som resistiv oppvarming), et grunnleggende fysisk fenomen der elektrisk energi omdannes til termisk energi når en elektrisk strøm passerer gjennom et ledende materiale med motstand. For grafen-oppvarmingsfilmer skjer denne prosessen i tre hovedtrinn: strøminjeksjon, elektron-gitter-interaksjoner og termisk energifrigjøring.

For det første, når en ekstern spenning påføres elektrodene i grafenvarmefilmen, flyter en elektrisk strøm gjennom grafenlaget. På grunn av grafens høye elektronmobilitet beveger elektronene seg raskt over filmens plan. Når disse elektronene beveger seg, kolliderer de med grafengitterets karbonatomer og eventuelle mindre defekter (f.eks. atomvakanser eller urenhetsatomer) som er tilstede i materialet. Disse kollisjonene overfører elektronenes kinetiske energi til gitteret, noe som får karbonatomene til å vibrere kraftigere. I termodynamikk tilsvarer denne økte atomvibrasjonen en økning i temperatur, som effektivt omdanner elektrisk energi til termisk energi. Matematisk beskrives mengden termisk energi (Q) som genereres av Joules lov: Q = I²Rt, hvor I er strømmen, R er motstanden til grafenfilmen, og t er tiden strømmen påføres. Grafens lave motstand sikrer at den genererte varmen er stabil og effektiv for en gitt strøm, og unngår det overdrevne energisvinnet som sees i materialer med høy motstand.

Utover Joule-oppvarming, grafenvarmefilmer viser også overlegen termisk stråling egenskaper, noe som forbedrer oppvarmingseffektiviteten. Når grafen varmes opp, sender den ut fjerninfrarød (FIR) stråling med et bølgelengdeområde på 8–14 μm, et spektrum som ofte omtales som det "biologiske vinduet" fordi det lett absorberes av menneskekropper, tekstiler og de fleste faste materialer. I motsetning til tradisjonelle varmeelementer som primært er avhengige av konveksjon (oppvarming av luft) eller konduksjon (direkte kontakt), overfører FIR-stråling varme direkte til målobjektet uten å varme opp den omkringliggende luften, noe som reduserer energitap. Studier har vist at grafen-varmefilmer konverterer 60–80 % av elektrisk energi til FIR-stråling, betydelig høyere enn 30–50 % effektivitet for konvensjonelle varmefilmer. Dette gjør grafen-varmefilmer ideelle for bruksområder som gulvvarme, der direkte varmeoverføring til gulvet (og deretter til rommet) er foretrukket fremfor oppvarming av luft.

Til slutt, grafen er eksepsjonell varmeledningsevne sørger for at den genererte varmen fordeles jevnt over filmen. Med en varmeledningsevne på omtrent 5000 W/(m·K) – mer enn 10 ganger kobbers, sprer grafen raskt varme fra områder med høyere temperatur til områder med lavere temperatur, og eliminerer varmepunkter. Denne ensartetheten forbedrer ikke bare brukerkomforten (f.eks. ingen kalde flekker i et oppvarmet gulv), men forlenger også filmens levetid ved å forhindre lokalisert overoppheting, som kan forringe materialet over tid. Sammen danner Joule-oppvarming, FIR-stråling og høy varmeledningsevne en synergistisk varmemekanisme som definerer den overlegne ytelsen til grafen-varmefilmer.

Selv om det strukturelle grunnlaget og kjerneoppvarmingsmekanismene definerer hvordan grafen-varmefilmer fungerer i teorien, er deres ytelse i den virkelige verden sterkt påvirket av praktiske design- og produksjonsfaktorer. Selv med ideelle grafenegenskaper kan inkonsekvenser i produksjonen eller feil materialvalg kompromittere oppvarmingseffektivitet, ensartethet og sikkerhet. For eksempel kan en grafenfilm med høyt urenhetsinnhold vise ujevn motstand, noe som fører til varme punkter, mens et dårlig valgt substrat kan hindre varmeoverføring. 

Viktige faktorer som påvirker varmeytelsen til grafenvarmefilmer

Oppvarmingsytelsen til grafen-varmefilmer, inkludert effektivitet, ensartethet og stabilitet, bestemmes ikke utelukkende av grafens iboende egenskaper; den avhenger også av en rekke eksterne faktorer knyttet til materialsyntese, filmfremstilling og komponentvalg. Disse faktorene må kontrolleres nøye for å sikre at filmen fungerer som tiltenkt, og de varierer basert på målapplikasjonen (f.eks. industriell oppvarming ved høy temperatur kontra forbrukerelektronikk ved lav temperatur).

Grafenrenhet og defekttetthet er blant de mest kritiske faktorene. Urenheter som gjenværende metaller (fra synteseprosesser som kjemisk dampavsetning, eller CVD) eller karbonholdige biprodukter øker filmens motstand ved å spre elektroner. For eksempel kan en grafenfilm med 5 % metallurenhetsinnhold se sin elektronmobilitet reduseres med 30 %, noe som fører til høyere energitap og ujevn oppvarming. På samme måte fungerer strukturelle defekter, som atomvakanser, kantdefekter eller gitterforvrengninger, som elektronspredningssentre, noe som reduserer konduktiviteten og skaper lokaliserte motstandstopper. For å redusere dette bruker industriprodusenter vanligvis grafen med høy renhet (≥95 % karboninnhold) syntetisert via CVD, som produserer filmer med stort areal og lav defekt. Ettersyntesebehandlinger, som gløding, kan redusere defekter ytterligere ved å reparere gitterforvrengninger, og forbedre elektrisk og termisk ytelse.

Filmtykkelse og ensartethet spiller også en viktig rolle. Selv om enkeltlagsgrafen har den høyeste elektronmobiliteten, er den for tynn til å motstå høye strømmer (med risiko for elektrisk sammenbrudd) og er mekanisk skjør. Praktisk grafenoppvarming Filmer bruker flerlags grafen (5–10 lag), hvor tykkelsen er balansert for å sikre både konduktivitet og holdbarhet. Variasjoner i tykkelse (f.eks. et avvik på 10 % over filmen) kan imidlertid føre til ujevn motstand, ettersom tykkere områder har lavere motstand og genererer mindre varme, mens tynnere områder har høyere motstand og genererer mer varme. For å oppnå ensartethet bruker produsenter presisjons-CVD-systemer med kontrollert gasstrøm og temperatur, noe som sikrer jevn lagavsetning. Kvalitetskontroll etter fabrikasjon, for eksempel atomkraftmikroskopi (AFM) eller optisk spektroskopi, brukes til å verifisere tykkelsesensartethet.

Valg av substratmateriale balanserer isolasjon, varmeledningsevne og mekanisk stabilitet. Substratet (som støtter grafenfilmen) må være elektrisk isolerende for å forhindre elektrisk lekkasje og varmeledende for å overføre varme fra grafenet til målet. Vanlige substrater inkluderer polyimid (PI), polyetylentereftalat (PET) og glass. PI-substrater er ideelle for høytemperaturapplikasjoner (f.eks. industriell oppvarming) på grunn av deres høye termiske motstand (langtidsbrukstemperatur ≤200 °C) og mekaniske styrke. PET-substrater er derimot billigere og mer fleksible, men har en lavere maksimumstemperatur (≤120 °C), noe som gjør dem egnet for forbrukerelektronikk som varmetepper. Et substrat med lav varmeledningsevne (f.eks. noen plasttyper) vil fange varme i grafenfilmen, noe som øker risikoen for overoppheting, mens et substrat med høy varmeledningsevne (f.eks. glass) kan spre varmen for raskt, noe som reduserer oppvarmingseffektiviteten. Derfor må substratvalget samsvare med applikasjonens temperatur- og varmeoverføringskrav.

For de som er interessert i å utforske potensialet til grafen-varmefilm for sine spesifikke bruksområder eller bransjer, Shaanxi Shengxihong Science and Technology Co., Ltd... står i forkant av denne teknologien. Med et omfattende utvalg av grafenbaserte varmeløsninger og en forpliktelse til innovasjon.

For å lære mer om hvordan grafen varmefilm kan være til nytte for prosjektene dine, eller for å diskutere tilpassede løsninger, oppfordrer vi deg til å kontakte ekspertene hos Shengxihong. Kontakt dem på 1315363763@qq.com for mer informasjon om deres produkter og tjenester. 

Referanser

• Geim, AK, og Novoselov, KS (2007). Grafenets fremvekst. Nature Materials, 6(3), 183–191. 
• Balandin, AA, Ghosh, S., Bao, W., Calizo, I., Teweldebrhan, D., Miao, F., og Lau, CN (2008). Overlegen varmeledningsevne til enkeltlagsgrafen. Nano Letters, 8(3), 902–907. 
• Wang, X., Li, J., Zhang, Y., og Liu, Z. (2019). Grafenbaserte varmefilmer: Fremstilling, egenskaper og anvendelser. Carbon, 151, 683–705. 
• Zhang, H., Chen, G., og Wang, C. (2021). Joule-oppvarmingseffekt i grafen: En oversikt. Journal of Physics D: Applied Physics, 54(24), 243001. 
• Det internasjonale energibyrået (IEA). (2022). Avanserte materialer for energieffektivitet: Grafenoppvarmingsteknologier. IEA-teknologirapport, 2022–05.