Een thermisch geleidend materiaal op basis van koolstofnanobuisjes gebruikt uitgelijnde of verspreide koolstofnanobuisjes om warmte te transporteren tussen een warmtebron en een koelplaat. De aantrekkingskracht ervan ligt vrijwel volledig in hoe goed een enkele nanobuis warmte langs zijn lengte geleidt. Die eigenschap is op zichzelf al opmerkelijk: simulaties en metingen aan individuele buisjes laten axiale geleidbaarheden zien van duizenden W/m·K. Het addertje onder het gras is echter belangrijker dan de cijfers zelf. Deze waarden gelden namelijk voor één geïsoleerde buis. Een complete laag, opgebouwd uit meerdere buisjes, presteert veel minder goed, omdat de warmte de contactpunten tussen de uiteinden van de buisjes en de bijbehorende oppervlakken moet overbruggen. Voor een ingenieur in batterijpakketten of vermogenselektronica is die kloof tussen intrinsieke geleidbaarheid en daadwerkelijke prestaties cruciaal. Het verklaart waarom deze materialen tot op heden nog steeds een onderzoeks- en specialistische optie zijn en nog geen standaardproduct.
Wat is een thermisch geleidend materiaal van koolstofnanobuisjes?
Een thermisch geleidend materiaal van koolstofnanobuisjes (CNT TIM) is een dunne interfacelaag, opgebouwd uit koolstofnanobuisjes, die zich tussen een component en het koeloppervlak bevindt om warmte af te voeren en microscopische luchtspleten op te vullen. De nanobuisjes vormen meestal een dicht netwerk dat loodrecht op het oppervlak groeit, waardoor warmte zich langs de as van de buisjes verplaatst, van de warme naar de koude kant. In andere uitvoeringen worden de buisjes tot platen geperst of in een polymeer- of metaalmatrix verwerkt in plaats van als een staand netwerk te groeien.
De reden waarom de vorm ertoe doet, is dat een TIM (Thermal Interface Material) contact moet maken, niet bulkgeleiding moet verzorgen. Elke interface tussen twee vaste oppervlakken houdt lucht vast in de ruwheid van het oppervlak, en lucht is een slechte geleider. Het interfacemateriaal moet zowel geleidend als flexibel genoeg zijn om zich aan te passen onder een bescheiden montagedruk. Koolstofnanobuisjes zijn hier aantrekkelijk omdat ze flexibel zijn in de lengte en kunnen vervormen om verschillen in thermische uitzetting tussen de onderdelen die ze overbruggen op te vangen, een bekend zwak punt van stijve soldeerinterfaces.
Omdat de buizen direct op een metalen substraat kunnen worden gekweekt, omzeilt een CNT-array ook twee faalmechanismen waar smeermiddelen en sommige faseveranderingsmaterialen na verloop van tijd last van krijgen. Uitpompen en holtevorming, waarbij het interfacemateriaal geleidelijk wordt weggedrukt of droge openingen achterlaat onder thermische cycli, zijn veel minder een probleem wanneer het geleidende pad aan het oppervlak is verankerd en niet langer tussen de onderdelen stroomt.
Waarom de geleidbaarheid van een enkele buis de werkelijke prestaties van CNT TIM overschat
Beschouw de intrinsieke geleidbaarheid en de geleverde geleidbaarheid als twee afzonderlijke grootheden, omdat het verwarren ervan de meest voorkomende misvatting over dit materiaal is. Moleculaire-dynamica-onderzoek aan een geïsoleerde enkelwandige buis heeft een axiale thermische geleidbaarheid van maar liefst 6600 W/m·K bij kamertemperatuur aangetoond. Metingen aan individuele meerwandige buizen hebben waarden van meer dan 3000 W/m·K bereikt. Beide waarden hebben betrekking op één onbeschadigde buis over de gehele lengte, niet op een laag die je tussen een cel en een koelplaat kunt klemmen.
De effectieve geleidbaarheid van een samengestelde CNT-array TIM ligt één tot twee ordes van grootte lager dan die van een enkele buis. Gerapporteerde resultaten voor CNT-arrays liggen in de orde van tientallen tot een paar honderd W/m·K, en dat zijn onderzoekscijfers, geen algemene productspecificatie. Twee factoren zijn de oorzaak van deze daling. Een gegroeide array bestaat grotendeels uit lege ruimte, waardoor het aandeel geleidend materiaal in de laag laag is. Belangrijker nog, warmte moet van de uiteinden van de buizen naar het tegenoverliggende oppervlak worden overgedragen, en dat contact is waar de meeste weerstand zich bevindt.
De interfaceweerstand, en niet de geleidbaarheid van de buizen, is de waarde die een ingenieur in de gaten moet houden. De beste laboratoriumopstellingen hebben een interfaceweerstand gerapporteerd van ongeveer 1 mm²K/W, wat echt concurrerend is. Deze resultaten zijn afhankelijk van hoe de uiteinden aan het tegenoppervlak zijn bevestigd, niet van de pure geleidbaarheid van de nanobuisjes. Wanneer u een specificatie leest, vraag dan naar de thermische weerstand loodrecht op het vlak van de geassembleerde verbinding bij een bepaalde druk. Een geleidbaarheidswaarde die zonder die context wordt vermeld, beschrijft de buis, niet het product.
Soorten thermische interface-materialen van koolstofnanobuisjes
Thermische interface-materialen op basis van koolstofnanobuisjes zijn er in een aantal structurele varianten, waarbij elke variant een afweging maakt tussen produceerbaarheid en de mate waarin het het contactprobleem oplost. Weten welke variant een leverancier aanbiedt, zegt meer over de werkelijke prestaties dan welke bewering over de geleidbaarheid dan ook.
Verticaal uitgelijnde CNT-arrays
Verticaal uitgelijnde CNT-arrays (VACNT's) zijn dichte bossen van buizen die loodrecht op een substraat groeien, waardoor de hoge axiale geleidbaarheid rechtstreeks door de verbinding wijst. Het uitlijnen van de geleidingsrichting met de warmtestroomrichting is het structurele voordeel van deze structuur, maar dit garandeert op zichzelf geen goede prestaties: de weerstand van de verbinding hangt nog steeds af van hoe goed de uiteinden van de buizen contact maken met het tegenoverliggende oppervlak, hoe dik de array is en de druk en hechting op het grensvlak. Hun zwakte is dat de geleidbaarheid in het vlak slecht is, waardoor ze warmte slecht zijdelings verspreiden, wat hun bruikbaarheid voor het uitsmeren van geconcentreerde hotspots beperkt.
CNT-vellen en -papier
CNT-vellen en buckypapers zijn vrijstaande films van verstrengelde of gedeeltelijk uitgelijnde buisjes die net als een conventioneel kussentje kunnen worden gehanteerd en geplaatst. Ze zijn gemakkelijker te integreren dan een gegroeide array omdat er geen buisjes op het onderdeel zelf hoeven te worden gegroeid, maar de willekeurige of in-vlakoriëntatie doet een groot deel van het voordeel van de loodrechte oriëntatie teniet, wat nanobuisjes juist zo interessant maakt voor een TIM (Thermal Interface Material).
Met CNT gevulde composieten en hybride films
CNT-gevulde composieten verspreiden nanobuisjes in een polymeer-, vet- of metaalmatrix om de geleidbaarheid van een conventioneel interfacemateriaal te verhogen. Door buisjes met een hoge aspectverhouding toe te voegen, ontstaan extra geleidingspaden door de matrix, waardoor deze producten zich gedragen als een verbeterde spleetvuller. De nanobuisjes versterken daarbij een conventionele matrix in plaats van een zuivere nanobuisjeslaag te vormen. Hybride films gaan nog een stap verder door nanobuisjes te combineren met grafiet of een ander koolstofmateriaal, zoals een koolstofvezel thermisch geleidend materiaal om transport loodrecht op het vlak en in het vlak te combineren. De binding tussen de twee koolstoffasen wordt dan een eigen bron van weerstand.
Ingekapselde en ingekapselde CNT-arrays
Ingekapselde arrays wikkelen of solderen een nanobuisjesbos tussen metalen folies om het te beschermen en de contactpunten van de tip te fixeren. Dit formaat komt het dichtst in de buurt van standaard elektronische verpakkingen. Een peer-reviewed onderzoek in Nano Research rapporteerde een koper-VACNT-koper sandwich, verbonden door een tweestaps soldeermethode, die in de test een temperatuurverlaging van 17 °C opleverde in vergelijking met de modernste commerciële TIM's. Deze aanpak pakt het probleem van de contactweerstand direct aan door de tips te verbinden in plaats van te vertrouwen op droog drukcontact.
Wat beperkt de prestaties van CNT TIM in de praktijk?
De fabricage en integratie, en niet de fysica van de buizen zelf, bepalen de werkelijke beperkingen van materialen voor de thermische interface van koolstofnanobuisjes (CNT's). Vier randvoorwaarden bepalen of een product bruikbaar is, en elk daarvan komt overeen met een variabele die je kunt controleren voordat je het ontwerpt.
De contactweerstand bij de buisuiteinden is de belangrijkste beperkende factor en de variabele die als eerste moet worden gecontroleerd. Omdat een droge array het tegenoverliggende oppervlak op verspreide punten raakt, wordt de weerstand loodrecht op het vlak veel meer bepaald door de kwaliteit van dat contact dan door de geleidbaarheid van de buis. Het verbinden van de uiteinden, door middel van solderen, metalliseren of chemische functionalisatie van het grensvlak, maakt van een veelbelovende array een concurrerende verbinding. Daarom moet bij elke prestatieclaim worden gespecificeerd hoe de uiteinden zijn bevestigd.
Het is lastig om lange, dichte buizen op een echt metalen substraat te laten groeien, wat de haalbare dikte beperkt. De katalysator die nodig is voor de groei heeft de neiging om bij de groeitstemperatuur in het metaaloppervlak te diffunderen en het proces vroegtijdig te stoppen. Hierdoor zijn de arrays vaak korter dan een ontwerper zou willen om een grote of oneffen opening op te vullen. Wanneer de opening tussen de onderdelen groot is of de vlakheid slecht, kan een korte array mogelijk niet voldoende aansluiten om volledig contact te maken.
Procescompatibiliteit met standaardverpakkingen is een derde beperking. De hoge temperaturen die nodig zijn voor de groei van verticaal uitgelijnde arrays zijn extreem en passen niet gemakkelijk in een normaal assemblageproces. Dit is een van de redenen waarom ingekapselde en voorgebonden formaten de aandacht hebben getrokken. Als een materiaal direct op uw component moet worden gegroeid, kan die eis op zich al een reden zijn om het af te wijzen.
Directionele warmtegeleiding is het vierde aspect om te overwegen bij het opstellen van een warmtekaart. Een verticaal uitgelijnde array is uitstekend in de verbinding, maar zwak in het vlak zelf. Hierdoor wordt warmte rechtstreeks over het grensvlak geleid, maar wordt een lokaal hotspotgebied nauwelijks verspreid. Voor een ontwerp dat laterale warmteverspreiding vereist, is een andere interface-strategie of een hybride structuur wellicht geschikter.
Waar passen koolstofnanobuisjes als thermische interface-materialen in het thermische ontwerp van batterijen?
Er bestaat een kleine commerciële basis voor deze materialen, maar deze is nog steeds gespecialiseerd. Beschouw ze daarom als een opkomende optie en niet als een directe vervanging voor gevestigde interface-materialen. Een handvol leveranciers biedt ze aan. Carbice, gevestigd in Atlanta, verkoopt thermische pads van uitgelijnde koolstofnanobuisjes, gericht op elektronica en de lucht- en ruimtevaart. SHINKO heeft een CNT-TIM in ontwikkeling gepubliceerd, met plaatafmetingen tot 50 bij 50 mm en diktes van ongeveer 0,1 tot 0,15 mm. Of de technologie geschikt is voor een bepaald project, hangt af van de beschikbaarheid in deze afmetingen en formaten, niet van een laboratoriummeting van de geleidbaarheid.
Voor een elektrische auto of energieopslagpakket bepalen drie factoren of een CNT-TIM (thermische interface met koolstofnanobuisjes) kan worden toegepast: de spleetbreedte en vlakheid van de cel of module, de assemblagebelasting en thermische cycli waaraan de interface moet worden blootgesteld, en of deze geschikt is voor een geautomatiseerd doseer- of plaatsingsproces op productievolume. Dit zijn dezelfde variabelen die bepalend zijn voor elke interfacekeuze in het traject van cel naar koelvloeistof. CNT-materialen in de vorm van gegroeide arrays zijn momenteel moeilijk te combineren met deze realiteit op pakketniveau. Bestaande spleetpads, gels en vetten passen gemakkelijker in het bestaande assemblageproces, waardoor ze een werkbare optie blijven voor de toekomst. hoogwaardige thermische interfaces die warmte van cellen naar een koude plaat transporteren.
Een leverancier zoals Trumonytechs werkt binnen dat praktische kader en stemt een TIM af op de spleetbreedte, het uithardingsgedrag, de isolatiestatus en de hechtingsbehoefte van een specifiek pakket. Een enkel cijfer geeft zelden al die variabelen weer. Koolstofnanobuismaterialen blijven het overwegen waard voor toepassingen waarbij hun sterkte en flexibiliteit in de dwarsrichting een probleem oplossen dat de huidige materialen niet kunnen oplossen, met name in compacte vermogenselektronica. Zelfs dan verandert de selectielogica niet: controleer de weerstand van de geassembleerde verbinding, het formaat en de integratiestap voordat u naar het cijfer op buisniveau kijkt.
Conclusie
De belangrijkste conclusie is dat een CNT TIM zijn waarde ontleent aan de complete verbinding, niet aan de geleidbaarheid van een enkele buis, en dat de omgekeerde interpretatie de meest voorkomende fout is. Intrinsieke geleidbaarheid in de orde van duizenden W/m·K is reëel. De geleverde interfaceweerstand hangt echter af van hoe de buisuiteinden aan het contactoppervlak zijn bevestigd, hoe dik en flexibel de array kan worden gemaakt en of de structuur een normaal assemblageproces doorstaat. Beoordeel een kandidaat op basis van de weerstand loodrecht op het vlak bij een bepaalde druk en op de manier waarop deze is geïntegreerd, en de technologie zal zich uiteindelijk beperken tot de specifieke toepassingen waar ze momenteel haar waarde bewijst. Voor een accupakket betekent dit dat de speling, vlakheid, assemblagespanning en productiemethode moeten worden vergeleken met een daadwerkelijke interfacelaag voordat de geleidbaarheid van de nanobuisjes überhaupt ter sprake komt.
FAQ
Hoe thermisch geleidend zijn koolstofnanobuisjes?
Een individuele koolstofnanobuis heeft een buitengewoon hoge geleidbaarheid over de gehele lengte, maar een afgewerkt interface-materiaal niet. Simulaties tonen aan dat een enkelwandige buis een geleidbaarheid van maar liefst 6600 W/m·K kan bereiken bij kamertemperatuur, en dat van afzonderlijke meerwandige buizen waarden boven de 3000 W/m·K zijn gemeten. Zodra buizen worden samengevoegd tot een TIM-array, daalt de effectieve geleidbaarheid met één tot twee ordes van grootte ten opzichte van die waarden voor afzonderlijke buizen, waardoor de uiteindelijke laag zich totaal anders gedraagt dan een losse buis.
Waarom bereiken thermische interface-materialen van koolstofnanobuisjes hun theoretische geleidbaarheid niet?
De contactweerstand aan de uiteinden van de buisjes is de belangrijkste reden waarom een CNT TIM (thermisch geleidend materiaal) niet de prestaties van een enkel buisje behaalt. Warmte moet van de uiteinden van de nanobuisjes naar het tegenoverliggende oppervlak worden overgedragen, en een droge opstelling raakt elkaar op verspreide punten. Deze verspreide contacten, meer nog dan de buisjes zelf, bepalen de weerstand van de verbinding. Het verbinden van de uiteinden door middel van solderen, metalliseren of het functionaliseren van het grensvlak dicht een groot deel van dit verschil.
Is een verticaal uitgelijnde CNT-array beter dan een grafietpad?
De richting waarin de warmte moet worden afgevoerd, is hierbij bepalend. Een verticaal uitgelijnde CNT-array heeft zijn geleidende as recht door de verbinding, wat geschikt is voor transport loodrecht op het vlak, hoewel het uiteindelijke resultaat nog steeds afhangt van het contact met de tip, de dikte en de druk. De geleidbaarheid in het vlak is slecht, waardoor laterale hotspots zich sterk verspreiden. Een grafietplaat is het tegenovergestelde: sterk in het vlak en zwakker loodrecht op het vlak. Je warmtekaart zou dus moeten bepalen welk formaat het meest geschikt is.
Kunnen thermische geleidende materialen van koolstofnanobuisjes worden geïntegreerd in standaard elektronische verpakkingen?
Integratie hangt af van twee dingen: of het materiaal in een voorgeëncapsuleerde of voorgebonden vorm wordt aangeleverd, en of de groeistap ervan gescheiden is van de assemblage van het apparaat. Een gegroeide array vereist een proces bij hoge temperaturen dat niet gemakkelijk in een normale verpakkingsstroom past. Daarom zijn ingekapselde formaten, nanobuisbossen gefixeerd tussen metalen folies, het meest geschikt voor standaardverpakkingen. Wanneer de buizen direct op het onderdeel moeten groeien, kan die eis alleen al ervoor zorgen dat het materiaal niet in een conventionele assemblagelijn past.
Kunnen koolstofnanobuisjes als thermische geleidende materialen worden gebruikt in accupakketten voor elektrische voertuigen?
TIM's van koolstofnanobuisjes zijn nog geen standaardkeuze voor accupakketten van elektrische voertuigen, en de beperking zit hem meer in de integratie dan in de prestaties. Een interface van een accupakket moet qua spleetbreedte en vlakheid overeenkomen met de cel of module, bestand zijn tegen de spanningen tijdens de montage en thermische cycli, en passen in een geautomatiseerd productieproces. Formaten met gegroeide nanobuisjes voldoen momenteel moeilijk aan deze eisen, waardoor gevestigde spleetpads, gels en vetten de meest praktische oplossing blijven voor de verbinding tussen cel en koelvloeistof, terwijl nanobuisjesmaterialen zich hebben bewezen voor nichetoepassingen met een hoge flux.
Verder lezen
- Ingekapselde koolstofnanobuisjesarray als thermisch interfacemateriaal dat compatibel is met standaard elektronische verpakkingen (Nano Research, 2023) — Een peer-reviewed onderzoek. Ondersteunt het punt dat het verbinden en inkapselen van de array de contactweerstand vermindert en in de test betere prestaties levert dan commerciële TIM's in de door-het-vlak-richting.
- Octrooi voor een thermisch interface-materiaal op basis van koolstofnanobuisjes, publicatie US20200404809A1 (later verleend als US11291139B2), via Google Patents — Een primaire octrooibeschrijving van een CNT-TIM-ontwikkelaar. Documenteert methoden voor array- en meerlaagse constructie en legt de nadruk op tipcontact en interfaceweerstand; moet worden beschouwd als de eigen aanvraag van de aanvrager, niet als een onafhankelijke test.
Gerelateerde artikelen
- Thermische interfacematerialen: soorten en kenmerken — Deze kaart toont de belangrijkste materiaalfamilies voor thermische interfaces en hun eigenschappen, wat handig is om CNT TIM's te plaatsen tussen de reeds bestaande opties.
- Thermische gel versus thermische pasta — Legt uit hoe thermische gel en thermische pasta verschillen in samenstelling en geleidbaarheid bij het kiezen van een interface-materiaal voor een build.
- Thermische gel versus thermische pad: de belangrijkste verschillen uitgelegd — Legt uit hoe gels en pads oppervlakteopeningen op verschillende manieren opvullen, wat handig is wanneer een gegroeide CNT-array nog niet praktisch is voor een assemblage.
- Wat is thermische pasta voor computers? — Dit gedeelte behandelt de functie van thermische pasta op de CPU- en GPU-interfaces en de variabelen die de temperatuur reguleren.
- Wanneer moet je thermische gel gebruiken? — Beschrijft wanneer een thermische gel de juiste interfacekeuze is voor een bepaalde koelbehoefte.
