Introduzione

I sistemi di scambio termico sono componenti critici nella gestione termica industriale, che rappresentano una parte significativa del trasferimento di energia nella produzione di energia, nella lavorazione chimica, nel raffreddamento di HVAC e di elettronica.

Vantaggi dei materiali incisi a Grafene

L'integrazione del grafo in componenti dello scambiatore di calore produce diversi miglioramenti misurabili sui materiali convenzionali.

Conduttività termica superiore

La conducibilità termica del grafene è più di dieci volte quella del rame (≈400 W/m·K) e dell'argento (≈430 W/m·K). Questo permette di diffondersi rapidamente su superfici, riducendo la resistenza termica e consentendo più compatti modelli di scambiatori. Ad esempio, l'aggiunta di solo 1-2 vol% di nanopiatti di grafine al rame aumenta la conducibilità termica composita del 20-30%, a seconda della qualità di dispersione.

Resistenza meccanica avanzata

La resistenza alla trazione del Graphene (≈130 GPa) e il modulo di Young (≈1 TPa) rinforzano i materiali della matrice. Nei compositi a matrice metallica, il grafo agisce come una fase di carico-sforzo, sopprimendo la propagazione della crepa e aumentando la resistenza alla fatica. Le piastre dello scambiatore di calore soggette a carichi termici e di pressione ciclici beneficiano di questo rinforzo, con studi che riportano la resistenza al rendimento più lunga durata del 40–60% in composito rispetto all’intervallo di rendimento più alto rispetto a grafo ridotto.

Resistenza alla corrosione

Il gesso è chimicamente inerte e impermeabile alla maggior parte dei gas e dei liquidi, rendendolo una barriera efficace contro i supporti corrosivi. Quando applicato come rivestimento sottile (grafiene a basso strato) sulle superfici di scambiatore di calore metallico, può ridurre i tassi di corrosione fino al 90% in ambienti acidi o salini. Inoltre, i rivestimenti ossido di grafine possono essere modificati chimicamente per i metalli specifici passivati, offrendo protezione su misura in lavorazione chimica o scambiatori di calore marino.

Costruzione leggera

Migliorando la resistenza e le prestazioni termiche, il grafine consente l'utilizzo di pareti più sottili e materiali di base più leggeri. In scambiatori di calore aerospaziale e automobilistico, ogni grammo salvato riduce il consumo di carburante. I polimeri rinforzati con grane possono sostituire i metalli più pesanti in loop a bassa temperatura, mentre i compositi in grafine-metal consentono la decrescita dei radiatori e degli intercooler senza sacrificare la capacità di reiezione del calore.

Meccanismi della maggiore conducibilità termica

Le notevoli proprietà termiche del grembo derivano dalle vibrazioni del reticolo (fononi). In piano, i forti legami sp2 danno velocità di gruppo fononiche molto elevate e percorsi liberi medi. Quando integrato in una matrice, il grafo crea reti di percolazione che formano percorsi termici altamente conduttivi attraverso il composito. L'interfaccia tra il grafo e il materiale ospite gioca anche un ruolo: la funzionalizzazione delle superfici del grafici (ad esempio, con i gruppi di riempimento di carboccatura

Metodi di fabbricazione per materiali a catena

La produzione scalabile di compositi in grafite uniforme è essenziale per l'adozione commerciale.

  • Esfoliazione e miscelazione di liquid-phase:[ Le nanopiastrelle di grafene sono prodotte esfoliando la grafite in solventi o acqua con tensioattivi, poi mescolate con polveri metalliche o polimeriche tramite fresatura a sfere, estrusione a due fili o dispersione ultrasuonica.
  • Deposizione chimica del vapore (CVD): I film di grafine a pochi strati sono coltivati su catalisti metallici (ad esempio, stagnola di rame) e poi trasferiti su superfici di scambiatore di calore. Questo metodo fornisce una copertura eccellente per i rivestimenti, ma è attualmente limitato in area e throughput.
  • Deposizione elettrochimica:[ L'ossido di Grafene è ridotto elettrochimicamente su substrati metallici, formando rivestimenti robusti con spessore controllato.
  • In-situ crescita:[[] I nanotubi di Grafene o di carbonio sono coltivati direttamente su particelle di metallo o schiuma utilizzando CVD, poi consolidati in compositi di massa.
  • Produzione additiva:[[] I filamenti o le polveri incinte a Grafene sono utilizzati nella stampa 3D per fabbricare geometrie a scambiatore di calore personalizzate con allineamento controllato della porosità e del grafo.

Per applicazioni di grandi volumi come radiatori automobilistici, miscelazione liquida-fase di grafine con polveri di alluminio o rame, seguita da sinterizzazione o stampa a caldo è il percorso più industrialmente fattibile oggi.

Applicazioni negli scambiatori di calore di prossima generazione

I materiali incisi a Graphene vengono esplorati in diversi settori in cui le prestazioni di trasferimento termico sono fondamentali.

Aerospaziale e Aviazione

I compositi Graphene-aluminum sono utilizzati nei raffreddatori ad olio e negli scambiatori di calore del sistema di controllo ambientale. Ad esempio, i ricercatori di un istituto aerospaziale europeo leader hanno sviluppato uno scambiatore di calore a piastre in rame grafine che ha raggiunto un aumento del 35% del coefficiente di trasferimento termico, riducendo il peso del 18% rispetto alla linea di base all-copper.

Veicoli automobilistici ed elettrici

La gestione termica della batteria, il raffreddamento dell'elettronica di potenza e la cabina HVAC beneficiano di miglioramenti del grafo. Un radiatore in alluminio rivestito in grafine per i motori a combustione interna ha mostrato una migliore dissipazione del calore del 20% e una resistenza alla corrosione di 5 anni nei test di dispersione del sale.

Raffreddamento elettronico

I sistemi di alette composte da granulometria, i processori e le aziende server richiedono lavelli di calore compatti ed efficienti. Le pile a pinne composite di rame di Graphene-copper dissipano il calore più velocemente del rame puro, consentendo una maggiore densità di potenza. Le startup stanno commercializzando materiali di interfaccia termica grafine-enhanced (TIM) che riducono la resistenza termica da 1 a 25%.

Sistemi di energia rinnovabili

Gli scambiatori di calore concentrati per impianti solari e sistemi geotermici utilizzano scambiatori di calore che operano con fluidi corrosivi a temperature elevate. I compositi a nichel-nichel resistono all'ossidazione e alla corrosione, mentre i rivestimenti in grafine-ceramica proteggono i tubi in acciaio inossidabile nelle applicazioni di sale fuso.

Processo industriale calore

I reattori chimici, le unità di recupero del calore e le colonne di distillazione possono utilizzare scambiatori a guscio e a tubo in grafine, per ottenere una maggiore efficienza termica. Le prove sul campo in un impianto petrolchimico hanno dimostrato una riduzione del 12% del tasso di fouling per tubi verniciati a grafite, traslating ad intervalli di pulizia più lunghi e tempi di fermo ridotti.

Sfide e limitazioni

Nonostante la promessa, diversi ostacoli devono essere superati prima che gli scambiatori di calore in grafine-enhanced diventino mainstream.

Produzione scalabile di Grafene ad alta qualità

La produzione su larga scala di grafine senza difetto, a pochi strati rimane costosa. Mentre l'esfoliazione della fase liquida può produrre tonnellate di grafine, i fiocchi sono tipicamente piccoli (1-5 μm di dimensione laterale) e contengono gruppi funzionali all'ossigeno che riducono la conducibilità. Il CVD produce una qualità superiore ma è limitata ai processi di lotto.

Dispersione uniforme

L'agglomerazione dei fiocchi di grafite riduce la rete di percolazione e crea punti di concentrazione dello stress. Nei compositi a matrice metallica, la scarsa dispersione può effettivamente degradare le proprietà termiche e meccaniche.

Resistenza termica interfacciale

L'interfaccia tra il grafo e il materiale host può limitare il flusso di calore a causa di un errore fononico. Il grafo funzionalizzante con atomi metallici (ad esempio, titanio o cromo) migliora l'incollaggio ma introduce ulteriori passaggi di lavorazione. I modelli teorici suggeriscono che massimizzare il rapporto di aspetto e allineare la direzione del grafo perpendicolare al flusso di calore potrebbe mitigare la resistenza, ma tale allineamento è difficile da raggiungere in massa compositi.

Stabilità e affidabilità a lungo termine

I rivestimenti in grane possono essere dilatati in cicli termici o ad alto flusso di taglio. Nei compositi a matrice metallica, il grafo può reagire con la matrice ad alte temperature (ad esempio, formando carburo di alluminio), che degrada le prestazioni. I test di invecchiamento accelerato sono ancora limitati; i dati a lungo termine (5-10 anni) in condizioni operative realistiche sono necessari per costruire fiducia.

Costo-efficacia

Per molte applicazioni, il miglioramento delle prestazioni deve essere sufficientemente grande da giustificare un premio del 20-50% sui materiali standard. Nei settori ad alto valore come aerospaziale o dispositivi medici, il premio è accettabile, ma nei sistemi HVAC automobilistici di materie prime, rimane una barriera.

Studi di casi e studi di ricerca

Diversi gruppi accademici e industriali hanno dimostrato la fattibilità degli scambiatori di calore a grafine.

  • L'Università di Manchester – Graphene‐Copper Composite:[ Un team ha prodotto una matrice di rame con nanopiatti di grafine da 0,5 vol% utilizzando fresatura a sfere e sinterizzazione del plasma scintilla. Il composito ha mostrato una conducibilità termica di 420 W/m·K (fino a 350 W/m·K per rame puro) e una resistenza al rendimento del 50% più alta.
  • MIT – Rivestimenti di ossido di granfeno:[] I ricercatori hanno applicato un ridotto rivestimento di ossido di grafine sugli scambiatori di calore in alluminio tramite deposizione elettroforetica. Il rivestimento ha resistito a 1000 cicli termici da 20°C a 300°C senza delaminazione e ridotto tasso di corrosione dell'85% in una soluzione NaCl del 3,5%.
  • XG Sciences (ora parte del gruppo Talga):[] Questa società ha fornito nanopiatti in grafine per un progetto pilota con un produttore HVAC importante. Le loro piastre composte in grafine-polipropilene per una pompa di calore hanno mostrato una riduzione del peso del 40% e il 15% un trasferimento di calore migliore rispetto alle piastre in acciaio, con un costo più alto del 20% che è stato compensato da costi inferiori di spedizione e costi di installazione.

Questi esempi sottolineano la disponibilità della tecnologia per le applicazioni di nicchia e la necessità di una raffinatezza ingegneristica continua.

Le direzioni future

La ricerca sta accelerando su più fronti per superare le limitazioni attuali e sbloccare nuove capacità.

3D Graphene Architectures

Le foam, gli aerogel e le strutture cellulari realizzate in grafine possono fornire una superficie ultra-alti e percorsi conduttivi continui.Quando infiltrati con un metallo o un polimero, questi monoliti offrono conducibilità termica paragonabile a metalli in massa ad una frazione del peso. La produzione di schiuma di grafine viene esplorata per scambiatori di calore compatti di prossima generazione in elettronica portatile e veicolo spaziale.

Ibrido Nanomaterials

Combinando grafine con altri allotropi di carbonio (nanotubes di carbonio, nanoparticelle di diamanti) o ceramica (boron nitride, carburo di silicio) può migliorare sinergicamente le proprietà termiche migliorando la processabilità. Ad esempio, i filler ibridi grafine-BN in epossidica hanno mostrato conducibilità termica superiore a 2 W/m·K, adatti per scambiatori di calore termoconduttivi ma isolanti in elettronica.

Apprendimento della macchina e Modelli su scala multipla

Gli strumenti di progettazione basati su AI possono prevedere l'orientamento ottimale del grafo, la concentrazione e l'architettura composita per una data geometria dello scambiatore di calore e condizione di funzionamento, riducendo così lo sviluppo di materiali specifici per applicazioni.

Gradienti funzionali

I compositi di grado in cui la concentrazione del grafo varia attraverso lo scambiatore di calore (ad esempio, un carico più elevato vicino alle fonti di calore) possono massimizzare il trasporto termico riducendo al minimo i costi.

Grafene a basso costo, alta qualità

Le interruzioni nell'esfoliazione elettrochimica della grafite utilizzando sali fusi o liquidi ionici producono grafine a scala di grammo con qualità quasi a strato a costi energetici paragonabili alla grafite delle materie prime.

Conclusioni

I materiali in grado di migliorare la qualità dei processi di produzione del grafo sono un percorso convincente per gli scambiatori di calore di nuova generazione con una conducibilità termica superiore, resistenza alla corrosione e peso inferiore. I primi aerospaziale, ad alte prestazioni automobilistiche e il raffreddamento elettronico stanno già beneficiando di prodotti su scala pilota, mentre l'aumento industriale più ampio attende riduzioni dei costi di produzione e miglioramenti nell'affidabilità di dispersione e di lungo termine.

Per ulteriori informazioni, vedere una recensione completa sulla gestione termica del grafo ([[]]Nature Reviews Materials]) e recenti studi sui compositi del grafo-copper ([]Carbon, 2020) e scambiatori di calore del grafo-polimero (Applied Thermal Engineering, 2021[FFFFF]