کاربرد کامپوزیت‌های اپوکسی ـ گرافن در تولید واسطههای حرارتی
شمای
یک تراشه رایانه‌ای متصل‌شده به سامانه یکپارچه انتشار حرارت (HIS:
Integrated Heat Spreader) با استفاده از اولین واسطه حرارتی (TIM-1) ؛ و
اتصال سامانه یکپارچه انتشار حرارت به چاه حرارتی از طریق دومین واسطه
حرارتی (TIM-2) (چپ). حد فاصل قطعه و سامانه یکپارچه انتشار حرارت به نحوی
با واسطه حرارتی پر می‌شود که بیشترین انتقال حرارت انجام شود (راست).
رشد
چشمگیر کاربرد فناوری نانو در صنایع الکترونیک و نیمه‌هادی‌‌ها، با
چالش‌هایی مانند کنترل حرارت ناشی از عملکرد این قطعات همراه است، تا جایی
که دفع حرارت تولیدشده ناشی از تبادلات الکترونیکی را می‌توان یکی از شرایط
بهینه‌سازی عملکرد این تجهیزات و سامانه‌های تولید انرژی (همچون سلول‌های
خورشیدی) دانست. در این میان، (واسطههای حرارتی) (TIM: Thermal Interface
Materials) نقش سازنده‌ای در اتلاف حرارت تولیدی ایفا می‌کنند. با قرار
دادن این مواد کامپوزیتی در حد فاصل منبع تولید حرارت (مانند تراشه‌های
رایانه‌ای) و چاه حرارتی، خلل و فرج‌های ایجادشده بر اثر ناهمواری‌های
موجود در دو سطح (مطابق شکل) پر می‌شوند و بیشترین انتقال حرارت از سامانه
الکترونیکی به چاه حرارتی صورت می‌گیرد. هنگام استفاده از واسطههای حرارتی
رایج که از ذراتی با رسانایی حرارتی بالا پر شده‌اند، برای اینکه خاصیت
رسانش حرارتی کامپوزیت در دمای اتاق، در محدوده تقریبی W/mK 5-1 حفظ شود،
به حجم بالایی از ذرات تقویت‌کننده نیاز است.
با این روش، رسانش حرارتی ماده زمینه اپوکسی، با استفاده از 10 درصد حجمی از ساختار گرافن، 23 درصد افزایش می‌یابد و ترکیب
اپوکسی ـ گرافن حاصل، تمامی ویژگی‌های مورد نیاز برای کاربرد صنعتی این واسطههای حرارتی را داراست.
محققان
معتقدند که افزایش رسانش حرارتی انواع تجاری واسطههای حرارتی، از مقدار
فعلی (5) به W/mK 25، به انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک و همچنین
سامانه‌های تولید انرژی منجر خواهد شد. از این‌رو، گروه‌های متعددی در تلاش
هستند تا با استفاده از پرکننده‌های گوناگونی که به ماده زمینه اضافه
می‌شوند، مواد مرکبی با رسانش حرارتی بالاتر تولید کنند. البته استفاده از
این مواد به شرایط دیگری همچون هزینه اندک و ویسکوزیته مناسب نیز وابسته
است.
یکی
از جدیدترین تحقیقات، از افزایش چشمگیر رسانش حرارتی نوعی از فاصل‌های
حرارتی، با استفاده از ترکیب بهینه‌ای از ساختارهای تک‌لایه و چندلایه
گرافن حکایت می‌کند. با این روش، رسانش حرارتی ماده زمینه اپوکسی، با
استفاده از 10 درصد حجمی از ساختار گرافن، 23 درصد افزایش می‌یابد و ترکیب
اپوکسی ـ گرافن حاصل، تمامی ویژگی‌های مورد نیاز برای کاربرد صنعتی این
واسطههای حرارتی را داراست. این مطالعات نشان می‌دهد که شرط تقویت رسانش
حرارتی، حضور هم‌زمان ترکیب معینی از گرافن‌های تک‌لایه و دولایه، در کنار
چندلایه‌های ضخیم‌تر گرافیتی است. گفتنی است که در این زمینه، کاربرد
ساختار گرافنی ارائه‌شده، از نانولوله‌های کربنی یا صفحات نانومتری گرافیتی
نیز به مراتب بیشتر است. تلاش‌های صورت‌گرفته برای به‌کارگیری نانوموادی
همچون نانولوله‌های کربنی در ساختار واسطههای حرارتی ـ که از رسانش حرارتی
بالایی برخوردارند ـ به نتایج عملی شایان توجهی نینجامید که دلیل آن را
می‌توان در اتصال حرارتی ضعیف نانولوله‌ها با ساختار زمینه و هزینه‌های
بالای تولید این مواد دانست.
