Se você já segurou um smartphone que ficou visivelmente mais frio do que um modelo mais recente durante uma sessão de jogo de uma hora, ou um laptop para jogos que não soa como um motor a jato decolando no meio de uma partida, você provavelmente se beneficiou do filme de grafite – um dos materiais de gerenciamento térmico mais versáteis do mercado. Como fornecedor de filmes de grafite, engenheiros, designers de produtos e até mesmo amadores curiosos me fazem esta pergunta o tempo todo: como exatamente essa folha fina e flexível de carbono conduz o calor de maneira muito melhor do que quase qualquer outro material comum? É claro que não é mágica – é pura ciência do carbono e, uma vez decomposta, faz todo o sentido. Vamos examinar a estrutura molecular, a física da transferência térmica e por que o filme de grafite se tornou a solução ideal para tudo, desde baterias EV até fones de ouvido de última geração.
Primeiro, vamos começar com o que realmente é o grafite, porque é onde vive toda a magia condutora de calor. A maioria das pessoas conhece o grafite como o material da grafite, mas é uma mistura fortemente comprimida de argila de grafite e ligantes, e não o grafite puro e altamente ordenado usado para aplicações térmicas. O grafite real é uma forma de carbono que se organiza naturalmente em uma rede hexagonal em forma de favo de mel, como uma folha de tela de arame, com cada átomo de carbono ligado firmemente a três átomos de carbono vizinhos. Isso é chamado de camada de grafeno – uma folha de carbono com a espessura de um átomo que já é um dos melhores condutores de calor conhecidos pelo homem. Quando você empilha milhões dessas camadas de grafeno umas sobre as outras, com fracas forças de van der Waals mantendo-as unidas, você obtém grafite em massa. Mas para uso térmico, pegamos essa estrutura natural e a refinamos para criar diferentes tipos de filme de grafite, cada um adaptado para casos de uso específicos. Por exemplo, nossoFilme de nanografiteé feito de flocos de grafeno menores e de tamanho mais uniforme, o que lhe confere excepcional condutividade térmica no plano, permanecendo fino e flexível o suficiente para caber em espaços apertados.
Agora, a chave para o superpoder condutor de calor do grafite está nessa rede hexagonal e na forma como o calor se move através dela. O calor é essencialmente a vibração de átomos e moléculas – quando um material aquece, os seus átomos balançam mais rapidamente e essa energia precisa de ser transferida para átomos vizinhos para se espalhar. Na maioria dos materiais, essa transferência é lenta porque as ligações atômicas são irregulares ou confusas, o que cria “pontos de dispersão” onde a energia vibratória se perde. Vejamos os metais, por exemplo: o cobre é um bom condutor, mas a sua estrutura atómica não é perfeitamente uniforme, pelo que parte da energia térmica dissipa-se como resistência eléctrica ou ondas sonoras em vez de se mover através do material. A estrutura no plano do grafite, entretanto, é quase perfeitamente ordenada. Essas fortes ligações covalentes carbono-carbono nas camadas de grafeno significam que as vibrações (chamadas fônons, para os nerds da física) se movem quase sem impedimentos ao longo do plano da folha de grafite. É como uma rodovia sem sinais de parada ou semáforos – o calor pode percorrer a direção do avião a velocidades de até 2.000 W/m·K, o que é muito mais alto do que os cerca de 401 W/m·K do cobre. É por isso que o filme de grafite é tão eficaz na distribuição uniforme do calor por uma superfície, em vez de deixá-lo acumular-se em pontos quentes.
É aqui que tudo fica ainda mais interessante: a condutividade térmica do grafite é altamente anisotrópica, o que é uma maneira elegante de dizer que ele conduz o calor muito bem em uma direção, mas mal na outra. A direção no plano (ao longo das camadas de grafeno) é onde todo o movimento dos fônons acontece, mas a direção através do plano (perpendicular às camadas) é onde as forças fracas de van der Waals mantêm as folhas de grafeno unidas, e essas forças são muito mais fracas, então os fônons se espalham constantemente. Isso significa que o calor não se move verticalmente através de uma folha de filme de grafite com facilidade, o que na verdade é uma característica, não um bug. Para a maioria das aplicações, você deseja retirar o calor de um pequeno ponto de acesso (como o processador de um telefone) e espalhá-lo por uma grande superfície para dissipá-lo, em vez de deixá-lo afundar diretamente no interior do dispositivo. NossoFilme de grafite dissipador de calorfoi projetado para amplificar esse efeito anisotrópico, com uma proporção de 5:1 ou superior de condutividade no plano para através do plano, tornando-o ideal para dispositivos finos onde o espaço é escasso.
É claro que nem todos os filmes de grafite são criados iguais. Ao longo dos anos, desenvolvemos variantes especializadas para atender às necessidades exclusivas de diferentes indústrias, cada uma delas baseada na estrutura central da rede de grafeno. Para aplicações que necessitam de alta condutividade térmica e estabilidade mecânica, nossosFilme Composto de Grafitecombina grafite puro com pequenas quantidades de polímeros ou cargas cerâmicas, que agregam durabilidade e resistência à flexão sem sacrificar a transferência de calor. Isto é perfeito para smartphones dobráveis, onde a tela flexível precisa de uma solução térmica que não rache ou deslamina após milhares de dobras. Para aplicações de maior potência, como baterias de veículos elétricos ou CPUs de servidores, criamos nossoFilme composto de grafite multicamadas, que empilha múltiplas camadas de grafite com um adesivo fino entre elas. O adesivo foi projetado para não bloquear a transferência de fônons, para que você obtenha a alta condutividade combinada de múltiplas camadas sem a perda de calor que você esperaria de um adesivo comum.
Muitas vezes me perguntam por que usamos filme de grafite em vez de apenas papel de grafite comum ou grafite em massa. A diferença se resume ao tamanho e alinhamento do grão. Ao processar grafite em filme fino, você pode alinhar perfeitamente as camadas de grafeno durante a produção, o que maximiza a condutividade térmica no plano. Se você apenas pressionar grafite em massa em uma folha, as camadas de grafeno serão orientadas aleatoriamente, de modo que a transferência de calor será muito mais irregular. NossoFilme fino de grafite, por exemplo, tem apenas alguns mícrons de espessura, com camadas de grafeno alinhadas a 0,5 graus uma da outra, proporcionando uma condutividade no plano de mais de 1.800 W/m·K – quase tão alta quanto o próprio grafeno sintético puro. Esse é o tipo de desempenho que você precisa para placas gráficas de última geração, onde mesmo uma queda de 10% na condutividade térmica pode levar ao afogamento e à redução do desempenho.
Vamos falar sobre um exemplo do mundo real para tornar isso concreto. Há alguns meses, trabalhamos com uma startup que estava desenvolvendo um carregador portátil compacto com chip de carregamento rápido de 45W. O design original usava um dissipador de calor de cobre, mas era muito volumoso e o carregador esquentava tanto que era desconfortável segurá-lo. Quando trocaram nosso filme de grafite dissipador de calor, eles conseguiram reduzir o tamanho do dissipador de calor em 60% e reduzir a temperatura da superfície do dispositivo em 12 graus Celsius. Por que? O cobre espalhava calor apenas a alguns milímetros do chip, mas o filme de grafite espalhava o mesmo calor por toda a superfície superior do carregador, onde poderia se dissipar no ar mais rapidamente. Essa é exatamente a propriedade anisotrópica em ação: o calor se move ao longo do grafite, e não através dele, então ele está espalhado em vez de concentrado.
Outra pergunta comum: como o filme de grafite se compara a outros materiais térmicos, como pasta térmica, materiais de mudança de fase ou tubos de calor? A pasta térmica funciona preenchendo lacunas entre duas superfícies, mas possui condutividade apenas moderada (cerca de 8 W/m·K) e pode secar com o tempo, perdendo desempenho. Os tubos de calor são ótimos para aplicações de alta potência, mas são volumosos, frágeis e não podem ser usados em espaços muito pequenos, como smartwatches ou fones de ouvido sem fio. O filme de grafite é fino, flexível, leve e tem uma condutividade muito maior que a pasta. A única desvantagem é que ele não é tão bom na transferência de calor através de uma lacuna, então geralmente você o combina com uma pequena quantidade de adesivo térmico para fazer um material de interface térmica completo (TIM).
Agora, vamos entrar no lado da produção, porque é onde refinamos o grafite desde sua forma bruta até o filme de alto desempenho no qual nossos clientes confiam. O processo começa com poliacrilonitrila sintética (PAN) ou flocos de grafite natural. Purificamos a matéria-prima para remover impurezas como enxofre e íons metálicos, o que criaria pontos de dispersão para fônons e reduziria a condutividade. A seguir, expandimos o grafite em altas temperaturas, o que separa as camadas de grafeno. Em seguida, processamos o grafite expandido em uma pasta, moldamos em folhas finas e o comprimimos sob alta pressão para alinhar as camadas de grafeno. Para nosso filme de nanografite, usamos flocos menores e mais uniformes para obter um alinhamento ainda melhor, enquanto nosso filme multicamadas adiciona uma etapa secundária de compressão para garantir que as camadas fiquem perfeitamente empilhadas. Cada lote é testado quanto à condutividade térmica, espessura e flexibilidade para garantir que atenda aos nossos padrões rígidos.
Como fornecedor de filmes de grafite, vi como esse material evoluiu na última década. Há dez anos, o filme de grafite era usado principalmente em smartphones e pequenos eletrônicos de consumo, mas agora é usado em tudo, desde gerenciamento térmico de baterias de veículos elétricos até iluminação LED, dispositivos médicos como máquinas de ressonância magnética e até mesmo componentes de satélite. A demanda por soluções térmicas melhores, menores e mais leves só vai crescer à medida que os dispositivos se tornam mais potentes e mais finos, e o filme de grafite está perfeitamente posicionado para atender a essa demanda.
Se você é um engenheiro ou designer de produto trabalhando em um projeto que precisa de melhor desempenho térmico, recomendo que entre em contato com nossa equipe para discutir suas necessidades específicas. Se você precisa de um filme fino para um dispositivo dobrável, um composto multicamadas para uma bateria de alta potência ou uma folha de tamanho personalizado para uma aplicação médica, podemos ajudá-lo a encontrar a solução certa de filme de grafite. Trabalhamos com clientes de todos os setores e estamos sempre felizes em testar lotes de amostras para garantir que nosso filme atenda às suas necessidades. Não hesite em entrar em contato com nossa equipe para iniciar seu próximo projeto de gerenciamento térmico – estamos aqui para ajudá-lo a construir produtos que funcionem mais frios, durem mais e tenham melhor desempenho.
Referências
- Balandin, AA (2011). Propriedades térmicas do grafeno e materiais de carbono nanoestruturados.Materiais da Natureza, 10(8), 569-581.
- Zhang, Y., et al. (2018). Condutividade térmica anisotrópica de filmes de grafite altamente orientados.Carbono, 134, 242-250.
- Moore, AL e Shi, L. (2014). Desafios emergentes e materiais para gerenciamento térmico de eletrônicos.Materiais hoje, 17(4), 163-174.
- Liu, J., et al. (2020). Filmes compostos de grafite para aplicações de gerenciamento térmico: uma revisão.Journal of Materials Science: Materiais em Eletrônica, 31(24), 21357-21378.
