מבוא

חילופי חום הם מרכיבים קריטיים בניהול תרמי תעשייתי, חשבונאות עבור חלק משמעותי של העברת אנרגיה בדור כוח, עיבוד כימי, HVAC, ואלקטרוניקה קירור חומרים מסורתיים כגון נחושת, אלומיניום, ופלדה אל-חלד שירתו יישומים אלה במשך עשרות שנים, אבל גבולות מוליכות תרמית שלהם רגישים לקורטוזיציה או לנהוג את החיפוש עבור חלופות משופרות. - שכבה אטומית אחת של פחמן עם גלידות חום / ריאה גבוהה כדי להפוך את קצב חילוף החומרים הפונקציונליות הנוכחית (R) לתוך טמפרטורת חום גבוהה)

יתרונות של Graphene-Enhanced Materials

שילוב גרפן לתוך רכיבי החלפת חום מניב כמה שיפורים למדידה על חומרים קונבנציונליים.

המונחים: thermal Conductivity

מוליכות תרמית של Graphene היא מעל 10 פעמים של נחושת ( ⁇ 400 W / mK) וכסף ( ⁇ 430 W / mK) זה מאפשר חום להתפשט במהירות על פני פני משטחים, צמצום ההתנגדות התרמית ומאפשר עיצובים קומפקטיים יותר חילופין קומפקטי יותר.לדוגמה, הוספת רק 1-2% של ננופליות נחושת מגבירה את ההתנהגות התרמית על ידי 20–30%, בהתאם לשיפור פולימר בינוני / 0 גרם לתפקוד חום.

כוח מכני משופר

חוזקו של Graphene ( ⁇ 130 GPa) ומודולולוציות של יאנג ( ⁇ 1 TPa) מחזק את חומרי ממטריקס. in מתכת-matrix מורכב, גרפן פועל כמו שלב עומס, דיכוי קידוד סדק והתנגדות מוגברת של עייפות. לוחיות החלפת חום נתון לעומסי מחזוריים ולחצים ליהנות מחיזוק זה, עם דיווח 40–60% גבוה יותר כוח גרף גרף זה מתרגם כוח גרף יותר לאלומיניום ארוך יותר.

התנגדות קורוזיה

Graphene הוא אינרציה כימית ובלתי ניתן למרבית הגזים והנוזלים, מה שהופך אותו מחסום יעיל נגד תקשורת קורוזית. כאשר מיושם כציפוי דק (fw-layer גרפן) על משטחים של החלפת חום מתכת, זה יכול להפחית את שערי קורוזיה על ידי עד 90% בסביבות חומציות או מלוחות.

משקל אור

על ידי שיפור כוח וביצועים תרמיים, גרפן מאפשר השימוש של קירות דקים וחומרים בסיס בהיר יותר. in aerospace ו- car תנורי חום, כל גרם הציל להפחית את צריכת הדלק. Graphene-reinforced פולימרים יכול להחליף מתכות כבדות יותר בלולאות דלת-טמפרטורה, בעוד מרוכבים גרפין-מטאל מאפשרים פיזור של מרדיטורים ו intercoolers ללא יכולת דחיית חום.

מכניזם של שיפור ההתנהלות הירומית

התכונות התרמיות הייחודיות של Graphene נובעות מהרטטים הליטקטיים שלה (הקונדומים) במטוס, האג"ח החזק של ספיר 2 נותן מהירויות גבוהות מאוד של קבוצת פוניון ומשמעות מסלולים חופשיים.כאשר משולבים לתוך מאטריקס, גרפן יוצר רשתות לרישום אשר יוצרות יחסי הפיכה גבוהים מאוד דרך הממשק בין גרפן לבין החומר גם ממלא תפקיד: תחבורה תפקודית של פני השטח (peerene) עם photchericials (מפסדפסדפסדפס) עם photative) נמוך (מפסדפסדוקסילי מתכת) או גרף) עם גרף (מפסדוקסילי מתכתי תיבות מתכת).

שיטות ייצור עבור Graphene-Enhanced Materials

ייצור סקאלהי של תרכובות גרפין אחיד הוא חיוני לאימוץ מסחרי.ישנן גישות מספריות:

  • (FLT:0) ליקוויד-phase exfoliation ומיקסינג: FLT:1 Graphene ננופליות מיוצרים על ידי exfoliating גרפיט בפתקים או מים עם גולשים, ולאחר מכן מעורבב עם מתכת או אבקות פולימר באמצעות כדור מנקה, גרוטאות דו-קרב, או פיזור קולי.
  • (FLT:0Chemical vapor Deposition (CVDigue): 1 באיכות גבוהה, סרטים גרפן מעט שכבות גדלים על זרזי מתכת (למשל, סיאול נחושת) ולאחר מכן מועברים על פני משטחים של החלפת חום. שיטה זו מספקת כיסוי מצוין עבור ציפויים אבל כיום מוגבל באזור ולוחץ.
  • (FLT:0) קידוד אלקטרו-כימיקלי: 1) Graphene oxide מופחת אלקטרוכימי על תת-שכבות מתכת, יצירת ציפויים חזקים עם עובי מבוקר.טכניקה זו ניתן ליישם על ג'ממטים מורכבים.
  • גידול:0 (ב-itu growth:FLT:1 Graphene או צינורות פחמן גדלים ישירות על חלקיקי מתכת או קצף באמצעות CVD, ולאחר מכן מאוחדים לתוך תרכובות גדולות.
  • ייצור:0 (Additive Manufacturing:)FLT:1 Graphene-enhanced filaments או אבקות משמשים הדפסה 3D כדי לייצר ג'מmetries מותאם אישית עם porosity מבוקר והיערכות גרפן.

כל שיטה מאזן עלות, איכות וקנה מידה. עבור יישומים גדולים כמו רדיורים לרכב, תערובת נוזלית של גרפן עם אלומיניום או אבקות נחושת ואחריו רעוע או דיכוי חם הוא המסלול הכדאי ביותר מבחינה תעשייתית היום.

יישומים ב-Generation Heat Exchangers

חומרים Graphene-enhanced נחקרים על פני מגזרים מרובים שבהם ביצועי העברת חום הם דבר חשוב.

תעופה ואוויר

ירידה במשקל ויציבות של זמן גבוהה הם קריטיים. Graphene-aluminum מרוכבים בשימוש בקרקרים שמן מערכת בקרת איכות הסביבה חילופי חום.לדוגמה, חוקרים במכון אווירליירל מוביל אירופי פיתח מחלף חום גרף-קופר שהשיג עלייה של 35% ב-חום העברה חום תוך צמצום משקל על ידי 18% לעומת כל הבסיס של ה-copper.

רכב ורכב חשמלי

ניהול תרמי של סוללה, קירור חשמל ותא HVAC נהנה שיפורים גרפן. a גרפן אלומיניום רדיו עבור מנועי בעירה פנימית הראו 20% יותר של התפוגות חום ו 5 שנים עמידות קורוזיה בבדיקות מלח-spray. בחבילות סוללות חשמליות, גרפן-פומר חום מפיץ לשמור על אחידות טמפרטורה על תאים, שיפור הבטיחות והחיים.

אלקטרוניקה Cooling

LEDs בעוצמה גבוהה, מעבדים, חוות השרת דורשים כיור חום קומפקטי ויעיל. Graphene-copper מורכב finערימה dissipate חום מהר יותר מאשר נחושת טהורה, המאפשרת נחיתות כוח גבוהה יותר. Startups הם שיווק חומרים גרף גרףenhanced ממשק תרמי חומרים (TIMs) להפחית את ההתנגדות תרמילאה צומת עד ambient על ידי 15-25%.

מערכות אנרגיה מתחדשת

צמחים סולאריים ומערכות גיאותרמיות ריכוז משתמשים בחילופי חום הפועלים עם נוזלי קורוזי בטמפרטורות גבוהות. Graphene-nickel מסובכים נגד חמצון וcorrosion, בעוד ציפוי גרפין-ceramic מגן צינורות נירוסטה ביישומים מלח מלוטש.

תהליך תעשייתי חם

כורים כימיים, יחידות שיקום חום פסולת, ועמודות זיקוק יכולים להשתמש פגז גרף-enhanced-and-tube חילופי כדי להשיג יעילות תרמית גבוהה יותר. ניסויים בשטח במפעל פטרוכימי הפגינו ירידה של 12% בשיעור רעייה עבור צינורות גרף גנוב, לתרגם לניקוי מרווחי זמן ארוכים יותר וצמצום זמן.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני שחליפות חום גרף-נכחד הופכות למיינסטרים.

הפקה סקלאאלית של High-Quality Graphene

ייצור בקנה מידה גדול של גרפן ללא פגם, מעט שכבות נשאר יקר.בעוד exfoliation נוזלי יכול לייצר טון של גרפן, הפייקטים הם בדרך כלל קטנים (1-5 מיקרומטר בגודל מאוחר יותר) וכולל קבוצות פונקציונליות חמצן להפחית את הפונקציונליות. CVD מניב איכות גבוהה יותר אבל הוא מוגבל לתהליכי אצווה.

דיספרסיון

אגוגלובציה של גרפים גרפן פליקציות מפחיתה את רשת ההנצחה ויוצרת נקודות ריכוז מתח.במטריקס מתכת, פיזור גרוע יכול למעשה לדרג תכונות תרמיות ומכניות. טכניקות ערבוב מתקדמות כגון שילוב גבוה, שלושה מזחלות, וסיוע עיבוד קולי, אבל הם מוסיפים עלות ומורכבות.

התנגדות בין-גזעית

הממשק בין גרפן לחומר המארח יכול להגביל את זרימת החום בשל תקלה phonon.תפקוד גרפן עם אטומי מתכת (למשל, טיטניום או כרום) משפר את האגרה אך מציג שלבים עיבוד נוספים.מודלים תיאורטיים מציעים כי למקסם את היחס והתאמה של גרפן לכיוון חום יכול להפחית את ההתנגדות, אבל זה קשה להשיג בכמויות מורכבות.

יציבות וגמישות לטווח ארוך

ציפוי Graphene יכול להחריב תחת רכיבה תרמית או זרימה גבוהה של Shear. in מתכת מטריצה מורכב, גרפן יכול להגיב עם הממטריקס בטמפרטורות גבוהות (למשל, יצירת אלומיניום carbide), אשר מקטין ביצועים.מבדקי ההזדקנות מואצים עדיין מוגבלים; ארוך טווח (5-10 שנים) נתונים בתנאים תפעוליים מציאותיים נדרשים כדי לבנות ביטחון.

עלויות-אווירה

בעוד גרפן עצמו זול בכמויות קטנות, את תהליכי העיבוד לשלב אותו לתוך רכיבי החלפת חום מוגמרים להוסיף עלות. עבור יישומים רבים, שיפור ביצועים חייב להיות גדול מספיק כדי להצדיק 20-50% מעל חומרים סטנדרטיים.במגזרים בעלי ערך גבוה כמו אווירוקל או מכשירים רפואיים, הפרמיה היא מקובלת, אבל במערכות HVAC של סחורות, זה נשאר מחסום.

מחקרים ומחקרים Highlights

כמה קבוצות אקדמיות ותעשייתיות הוכיחו את יכולתן של מחליפי חום גרף-נכחד.

  • (FLT:0) אוניברסיטת מנצ'סטר - Graphene-Copper Composite: FLT:1 צוות הפיק ממטריקס נחושת עם 0.5 ננופלאונים של גרף וולט הרחם באמצעות כדור מנקה וניצוץ פלזמה.המורכב הציג מוליכות תרמית של 420 W/mK (עד 350 / mK עבור נחושת טהורה) ו תשואות גבוהות יותר כאשר הוא מייצור לתוך קיבולת fin-co-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-p-up-up-p-up-up-up-up-p-p-f-p-p
  • החוקרים השתמשו בציפוי מופחת של גרפן Oxide Stickings:FLT ( 1:1) 1:1 החוקרים הגישו ציפוי תחמוצת גרפן מופחת על החלפת חום אלומיניום באמצעות זיהום אלקטרופורטי.הציפוי עם 1000 מחזורים תרמיים מ 20 מעלות צלזיוס ל-300 מעלות צלזיוס ללא דלמנטון והורדת שיעור קורוזיון על ידי 85% בפתרון 3.5% נקל.
  • (FLT:0) מדעי XG (כיום חלק מקבוצת טלגה): איור FLT ( 1:1) חברה זו סיפקה גרפן ננופלאטיס לפרויקט טייס עם יצרנית HVAC גדולה. לוחיות הגרף שלהם-polypropylene מורכב עבור משאבת חום הראו ירידה של 40% משקל ו 15% יותר חום העברה טובה יותר בהשוואה צלחות פלדה, עם עלייה של 20% לעומת עלויות המשלוח והתקנה נמוכה יותר.

דוגמאות אלה מדגישות את מוכנות הטכנולוגיה ליישומים נישה ואת הצורך בהזכוך הנדסי מתמשך.

כיוונים עתידיים

המחקר הוא מאיץ בחזיתות מרובות כדי להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולפתוח יכולות חדשות.

3D Graphene Architectures

Foams, aerogels, ומבנים סלולריים שנעשו מ גרפן יכול לספק שטח על פני גבוה ונתיבים מוליכים רציף. כאשר מחדור עם מתכת או פולימר, מונוליטיות אלה מציעים מוליכות תרמית דומה מתכות גדולות בשבריר של המשקל.רו-to-roll של קצף גרפן נחקר עבור חילופי חום קומפקטיים הבאים באלקטרוניקה וחללית.

ננומטרים היברידיים

שילוב גרפן עם כלוטרופים פחמן אחרים (פחמן nanotubes, חלקיקים יהלומים) או קרמיקה (בורון nitride, סיליקון carbide) יכול לשפר באופן סינרגטי תכונות תרמיות תוך שיפור יכולת תהליך. לדוגמה, גרף-BN ממלאי היברידי ב- epoxy הראו התאמות תרמיות מעל 2 / mK, מתאים לתפקוד חשמלי תרמי אבל מבחינה חשמלית בחילופי חשמל אלקטרוניקה.

Machine Learning and Multiscale Modeling

כלים עיצוביים מונעים על ידי בינה מלאכותית יכולים לחזות את הכיוון הגרף האופטימלי, ריכוז, אדריכלות מורכבת עבור גיאומטריה מחילופי חום נתון ומצב הפעלה.זה מקטין את הניסוי הניסוי-וטרור ומזרז את הפיתוח של חומרים ספציפיים יישומים.

גרף

מרוכבים מדורגים שבו ריכוז גרפן משתנה על פני בורר החום (למשל, טעינה גבוהה יותר ליד מקורות חום) יכול למקסם את התחבורה התרמית תוך צמצום העלות.

נמוך, גבוה-איכות Graphene

פורצות דרך ב exfoliation אלקטרוכימי של גרפיט באמצעות מלחים או נוזלי ionic מייצרים גרפן בקנה מידה דקדוק עם איכות ליד שליד-שכבת בעלויות אנרגיה דומות לגרף הסחורות.אם בקנה מידה, זה יכול להפחית את מחירי הגרפן מתחת $ 5 / ק"ג, מה שהופך אותו במחיר סביר עבור רוב יישומי החלפת חום.

מסקנה

חומרים Graphene-enhanced מציעים נתיב משכנע לחילופי חום הדור הבא עם מוליכות תרמית גבוהה, כוח, עמידות קורוזיה, ומשקל נמוך יותר. מאיצים מוקדמים בחלל, רכב בעל ביצועים גבוהים, ואלקטרוניקה כבר נהנים ממוצרים בקנה מידה גבוה, בעוד עלייה תעשייתי רחב יותר מחכה הפחתת עלויות הייצור ושיפורים בפיזור ואמינות ארוכת טווח עם התקדמות מתמשכת בתחום הייצור, שיפור תפקוד תעשייתי, גרף מרכזי, ייצור תעשייתי, ציוד תעשייתי, ייצור, ציוד תעשייתי, ייצור תחרותי, ותפקוד תעשייתי, הוא שיפור של פעילות גופנית, ותפקוד תעשייתי, גרף, גרף, גרף, ציוד תעשייתי, ציוד תעשייתי, מתקן תעשייתי, מתקן, ציוד תעשייתי, מתקן, הוא שיפור תפקוד תעשייתי, מתקן, מתקן, הוא שיפור ביצועים, מתקן, מתקן, מתקן, מתקן, ייצור, ייצור, מתקן, מתקן, מתקן תעשייתי רחב יותר, מתקן תעשייתי, מתקן, ייצור תעשייתי, מתקן, מתקן, מתקן, מתקן מסחר, מתקן, מתקן, מתקן, מתקן, ייצור תחרותי, ייצור, ייצור תחרותי, פועל, פועל, מתקן, מתקן, מתקן, מתקן מסחר, פועל, פועל, פועל, פועל, הוא שיפור ביצועים, הוא שיפור ביצועים, ייצור, מתקן ייצור, הוא שיפור ביצועים, מתקן, מתקן ייצור, ייצור, מתקן ייצור, מתקן

(בקריאה נוספת, ראה סקירה מקיפה על ניהול תרמי של גרפן (FreaLT:0) חומרים טבעיים ביקורות חומרים גרף 1) ומחקרים אחרונים על תרכובות גרפין-קופר (ראה:2Carbon, 2020FLT 3: 3) וחילופי חום גרפין-פומליים (FLT:4Appliedrmal Engineering, 2021F:5).