石墨烯应用技术

石墨烯应用技术

热传导过程采取扩散形式，但各种材料的导热机理是不同的。學者对材料的导热机理进行了详细的石墨热场讨论。固体内部的导热载体分别为电子、声子(点阵波) 、光子(电磁辐射)等三种。对聚合物而言，通常为饱和体系，无自由电子，导热载体为声子，热传导主要依靠晶格振动。聚合物相对分子质量很大，具有多分散性，分子链则以无规则缠结方式存在，难以完全结晶，再加上分子链的振动对声子有散射作用，使聚合物材料的热导率很小。

传统要使聚合物具有更好的热导率，可通过以下二种方式进行改性：
(1) 合成具有高热导率的聚合物；
(2) 用高热导率物质填充聚合物，制备聚合物基导热复合材料。生产实践中通常采用添加高热导率填料的方式来提高高分子材料的热导率，得到导热高分子复合材料。

填充型导热塑料的导热机理包括：
A. 导热塑料的导热性能取决于聚合物和导热填料的相互作用，也就是解决界面技术及渗滤阈值的选定；
B. 填料种类不同其导热机理不同。其中，金属填料是靠电子运动进行导热；非金属填料主要依靠声子导热，其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动。
C. 导热填料对导热性能影响因素包括：填料种类、填料形体和粒径、填料含量、填料表面处理方式及导热机理。

我们现在谈到石墨烯，世界上最好的导热材料，但基本上就是要先判断是金属还是非金属填料后，再来讨论合适的导热机理。石墨烯被定义为「半金属」，从材料的角度来看，石墨烯每个碳原子透过 σ 键与相邻的三个碳原子连接，而每个碳原子剩下一个未成键的 π 电子与周围的原子形成大 p 共轭结构，这样 π 电子就能在石墨烯整个晶体结构中自由运动。这时候，电子透过 p 轨道重迭而发生离域，产生价带充满电子地延伸 π 系统。但电子在晶体上并不是完全自由运动的，是受「势场」与「声子」影响。所以，石墨烯兼具「电子运动」及「声子导热」两种导热机理。

石墨烯的热传导率随着样本大小呈对数递增。石墨烯越长，每长度单位传递的热越多，这点我们可以把它视为因为长度较大，相同传递路径下相对较短导致，这是二维碳原子层材料所发现另一个独一无二的属性。

石墨烯垂直于平面之热传导率由于声子受到边界散射的影响，会随着石墨烯层数增加而降低。声子是晶格振动的量子化形式，但当两个晶体有边界不对齐时，热传递数值仅为1╱10。复合材料导热性能的影响因素包括﹕石墨烯添加量、层数、基体种类及界面阻力，大致上还是遵循这个机制。

在某种导热差的材料中加入石墨烯，导热变化会很大么？这个问题就是涉及这么多的变量要考虑！由于石墨烯多是以复材型态呈现，首先要考虑的因子就是石墨烯与基材间的「界面阻力」问题，再来考虑「层数」及「横向尺度」，最后才会去考虑「渗滤阈值」及「性价比」。要记住，不同石墨烯要配合不同基材、功能要求，这个概念要先建立。