Qual è la conduttività termica di una piastra di grafite?

Qual è la conduttività termica di una piastra di grafite?

Come fornitore di fidati di piastre di grafite, incontro spesso indagini sulla conduttività termica di questi straordinari materiali. Le piastre di grafite sono ampiamente riconosciute per le loro eccezionali proprietà termiche, rendendole una scelta preferita in vari settori, dall'elettronica all'energia. In questo post sul blog, approfondirò il concetto di conducibilità termica, esplorerò i fattori che influenzano la conduttività termica delle piastre di grafite ed evidenziano le loro applicazioni in diversi campi.

Comprensione della conduttività termica

La conducibilità termica è una proprietà fondamentale dei materiali che descrive la loro capacità di condurre calore. È definito come la quantità di calore che passa attraverso un'area unitaria di un materiale per unità di tempo, guidata da un gradiente di temperatura unitario. In termini più semplici, misura la rapidità con cui il calore può viaggiare attraverso un materiale. L'unità SI di conducibilità termica è watt per metro-kelvin (w/m · k).

I materiali con alta conduttività termica possono trasferire rapidamente il calore, mentre quelli con bassa conducibilità termica agiscono come isolanti, resistendo al flusso di calore. Ad esempio, metalli come rame e alluminio sono noti per la loro alta conducibilità termica, motivo per cui sono comunemente usati negli scambiatori di calore e nei componenti elettrici. D'altra parte, i materiali come la gomma e la plastica hanno una bassa conducibilità termica e sono spesso utilizzati a fini di isolamento.

Conduttività termica delle piastre di grafite

La grafite è una forma di carbonio che presenta proprietà fisiche e chimiche uniche, inclusa l'elevata conducibilità termica. La conduttività termica delle piastre di grafite può variare in modo significativo a seconda di diversi fattori, come il tipo di grafite, la sua struttura cristallina e il processo di produzione.

• Grafite naturale vs. grafite sintetica: La grafite naturale viene estratta dalla terra ed è costituita da grandi cristalli di grafite ben ordinati. La grafite sintetica, d'altra parte, viene prodotta attraverso un processo ad alta temperatura che prevede il riscaldamento dei materiali carbonacei. La grafite sintetica ha generalmente una conduttività termica più elevata rispetto alla grafite naturale a causa della sua struttura cristallina più uniforme.
• Struttura cristallina: La conduttività termica della grafite è altamente anisotropica, il che significa che varia a seconda della direzione del flusso di calore. Nel piano basale (parallelo agli strati di atomi di grafite), la conduttività termica è molto più alta rispetto alla direzione perpendicolare. Questo perché gli atomi di carbonio nel piano basale sono disposti in un reticolo esagonale, consentendo un efficiente trasferimento di calore attraverso gli elettroni delocalizzati.
• Processo di produzione: Il processo di produzione può anche influire sulla conduttività termica delle piastre di grafite. Ad esempio, le piastre di grafite isomold vengono prodotte sottoponendo la polvere di grafite ad alta pressione e temperatura in uno stampo. Questo processo si traduce in una struttura più uniforme e densa, che migliora la conduttività termica della piastra.Piastra di grafite isomoldata

Tipicamente, la conduttività termica delle piastre di grafite varia da 100 a 1500 W/m · K nel piano basale e da 5 a 50 W/m · K nella direzione perpendicolare. Questi valori sono significativamente più alti di quelli di molti altri materiali, rendendo le piastre di grafite una scelta eccellente per le applicazioni che richiedono un trasferimento di calore efficiente.

Fattori che influenzano la conduttività termica

Oltre al tipo di grafite e alla sua struttura cristallina, molti altri fattori possono influenzare la conduttività termica delle piastre di grafite. Questi fattori includono:

• Temperatura: La conduttività termica delle piastre di grafite generalmente diminuisce con l'aumentare della temperatura. Questo perché a temperature più elevate, le vibrazioni reticolari nella struttura della grafite diventano più intense, il che spargi gli elettroni che trasporta il calore e riduce l'efficienza del trasferimento di calore.
• Densità: La densità di una piastra di grafite può anche influire sulla sua conduttività termica. Le piastre di densità più elevata tendono ad avere una conduttività termica più elevata perché hanno una struttura più compatta, che consente un migliore trasferimento di calore attraverso il materiale.
• Impurità e difetti: La presenza di impurità e difetti in una piastra di grafite può ridurre la sua conduttività termica. Le impurità possono interrompere la struttura cristallina della grafite e disperdere gli elettroni che trasportano il calore, mentre difetti come crepe e vuoti possono creare barriere al trasferimento di calore.

Applicazioni di piastre di grafite

L'elevata conduttività termica delle piastre di grafite le rende adatte per una vasta gamma di applicazioni in vari settori. Alcune delle applicazioni comuni delle piastre di grafite includono:

• Elettronica: Nell'industria elettronica, le piastre di grafite vengono utilizzate come dissipatori di calore per dissipare il calore generato da componenti elettronici come microprocessori, transistor di potenza e luci a LED. L'elevata conduttività termica delle piastre di grafite consente loro di trasferire rapidamente il calore dai componenti, impedendo il surriscaldamento e migliorando le loro prestazioni e affidabilità.Elettrodo a piastra di grafite
• Energia: Le piastre di grafite vengono utilizzate anche nel settore energetico per applicazioni come celle a combustibile, batterie e pannelli solari. Nelle celle a combustibile, le piastre di grafite vengono utilizzate come piastre bipolari per separare gli scomparti anodo e catodici e per condurre elettricità e calore. Nelle batterie, le piastre di grafite vengono utilizzate come elettrodi per conservare e rilasciare energia. Nei pannelli solari, le piastre di grafite vengono utilizzate come collezionisti di calore per assorbire e trasferire l'energia solare.Piastre di trasferimento di calore grafite
• Elaborazione chimica: Nel settore della lavorazione chimica, le piastre di grafite vengono utilizzate negli scambiatori di calore per trasferire il calore tra fluidi diversi. L'elevata conduttività termica e la resistenza chimica delle piastre di grafite le rendono adatti per l'uso in ambienti chimici duri.
• Aerospaziale e difesa: Nelle industrie aerospaziali e di difesa, le piastre di grafite vengono utilizzate in applicazioni come sistemi di gestione termica, assorbitori radar e ugelli a razzo. L'elevata conduttività termica e la natura leggera delle piastre di grafite le rendono ideali per l'uso in queste applicazioni, in cui l'efficienza del peso e del trasferimento di calore sono fattori critici.

Conclusione

In conclusione, la conduttività termica delle piastre di grafite è una proprietà cruciale che determina la loro idoneità per varie applicazioni. Le piastre di grafite offrono un'eccezionale conducibilità termica, che è significativamente superiore a quella di molti altri materiali. La conduttività termica delle piastre di grafite può variare a seconda di diversi fattori, come il tipo di grafite, la sua struttura cristallina e il processo di produzione. Comprendendo questi fattori e i loro effetti sulla conduttività termica, ingegneri e progettisti possono selezionare le piastre di grafite più appropriate per le loro applicazioni specifiche.

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Riferimenti

• Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL e Lavine, AS (2007). Fondamenti di trasferimento di calore e di massa. Wiley.
• Touloukian, YS e Ho, Cy (1970). Conducibilità termica: solidi non metallici. Plenum Press.
• Kittel, C. (2005). Introduzione alla fisica a stato solido. Wiley.