Quelle est la conductivité thermique d'une plaque de graphite?

Quelle est la conductivité thermique d'une plaque de graphite?

En tant que fournisseur de confiance de plaques de graphite, je rencontre souvent des demandes de renseignements concernant la conductivité thermique de ces matériaux remarquables. Les plaques de graphite sont largement reconnues pour leurs propriétés thermiques exceptionnelles, ce qui en fait un choix préféré dans diverses industries, de l'électronique à l'énergie. Dans cet article de blog, je vais me plonger dans le concept de conductivité thermique, explorer les facteurs qui influencent la conductivité thermique des plaques de graphite et mettent en évidence leurs applications dans différents domaines.

Comprendre la conductivité thermique

La conductivité thermique est une propriété fondamentale des matériaux qui décrit leur capacité à mener la chaleur. Il est défini comme la quantité de chaleur qui passe à travers une zone unitaire d'un matériau par unité de temps, entraîné par un gradient de température unitaire. En termes plus simples, il mesure la rapidité avec laquelle la chaleur peut voyager à travers un matériau. L'unité SI de conductivité thermique est watts par mètre-kelvin (w / m · k).

Les matériaux avec une conductivité thermique élevée peuvent transférer rapidement la chaleur, tandis que ceux à faible conductivité thermique agissent comme des isolateurs, résistant à l'écoulement de la chaleur. Par exemple, les métaux comme le cuivre et l'aluminium sont connus pour leur conductivité thermique élevée, c'est pourquoi elles sont couramment utilisées dans les échangeurs de chaleur et les composants électriques. D'un autre côté, les matériaux tels que le caoutchouc et le plastique ont une faible conductivité thermique et sont souvent utilisés à des fins d'isolation.

Conductivité thermique des plaques de graphite

Le graphite est une forme de carbone qui présente des propriétés physiques et chimiques uniques, y compris une conductivité thermique élevée. La conductivité thermique des plaques de graphite peut varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs, tels que le type de graphite, sa structure cristalline et le processus de fabrication.

• Graphite naturel vs graphite synthétique: Le graphite naturel est extrait de la Terre et se compose de grands cristaux de graphite bien ordonnés. Le graphite synthétique, en revanche, est produit par un processus à haute température qui implique le chauffage des matériaux carbonés. Le graphite synthétique a généralement une conductivité thermique plus élevée que le graphite naturel en raison de sa structure cristalline plus uniforme.
• Structure cristalline: La conductivité thermique du graphite est hautement anisotrope, ce qui signifie qu'elle varie en fonction de la direction du flux de chaleur. Dans le plan basal (parallèle aux couches des atomes de graphite), la conductivité thermique est beaucoup plus élevée que dans la direction perpendiculaire. En effet, les atomes de carbone dans le plan basal sont disposés dans un réseau hexagonal, permettant un transfert de chaleur efficace à travers les électrons délocalisés.
• Processus de fabrication: Le processus de fabrication peut également affecter la conductivité thermique des plaques de graphite. Par exemple, les plaques de graphite isomouillées sont produites en soumettant de la poudre de graphite à la haute pression et à la température dans un moule. Ce processus se traduit par une structure plus uniforme et dense, ce qui améliore la conductivité thermique de la plaque.Plaque de graphite isomold

En règle générale, la conductivité thermique des plaques de graphite varie de 100 à 1500 w / m · k dans le plan basal et de 5 à 50 W / m · k dans la direction perpendiculaire. Ces valeurs sont significativement plus élevées que celles de nombreux autres matériaux, faisant des plaques de graphite un excellent choix pour les applications qui nécessitent un transfert de chaleur efficace.

Facteurs affectant la conductivité thermique

En plus du type de graphite et de sa structure cristalline, plusieurs autres facteurs peuvent influencer la conductivité thermique des plaques de graphite. Ces facteurs comprennent:

• Température: La conductivité thermique des plaques de graphite diminue généralement avec l'augmentation de la température. En effet, à des températures plus élevées, les vibrations du réseau dans la structure du graphite deviennent plus intenses, ce qui disperse les électrons porteurs de chaleur et réduit l'efficacité du transfert de chaleur.
• Densité: La densité d'une plaque de graphite peut également affecter sa conductivité thermique. Les plaques de densité plus élevées ont tendance à avoir une conductivité thermique plus élevée car elles ont une structure plus compacte, ce qui permet un meilleur transfert de chaleur à travers le matériau.
• Impuretés et défauts: La présence d'impuretés et de défauts dans une plaque de graphite peut réduire sa conductivité thermique. Les impuretés peuvent perturber la structure cristalline du graphite et disperser les électrons qui portent la chaleur, tandis que les défauts tels que les fissures et les vides peuvent créer des barrières au transfert de chaleur.

Applications des plaques de graphite

La conductivité thermique élevée des plaques de graphite les rend adaptés à un large éventail d'applications dans diverses industries. Certaines des applications courantes des plaques de graphite comprennent:

• Électronique: Dans l'industrie de l'électronique, les plaques de graphite sont utilisées comme dissipateurs de chaleur pour dissiper la chaleur générée par des composants électroniques tels que les microprocesseurs, les transistors de puissance et les lumières LED. La conductivité thermique élevée des plaques de graphite leur permet de transférer rapidement la chaleur des composants, empêchant la surchauffe et l'amélioration de leurs performances et de leur fiabilité.Électrode de plaque de graphite
• Énergie: Les plaques de graphite sont également utilisées dans l'industrie de l'énergie pour des applications telles que les piles à combustible, les batteries et les panneaux solaires. Dans les piles à combustible, les plaques de graphite sont utilisées comme plaques bipolaires pour séparer les compartiments d'anode et de cathode et pour conduire l'électricité et la chaleur. Dans les batteries, les plaques de graphite sont utilisées comme électrodes pour stocker et libérer de l'énergie. Dans les panneaux solaires, les plaques de graphite sont utilisées comme collectionneurs de chaleur pour absorber et transférer l'énergie solaire.Plaques de transfert de chaleur en graphite
• Traitement chimique: Dans l'industrie du traitement chimique, des plaques de graphite sont utilisées dans les échangeurs de chaleur pour transférer la chaleur entre différents liquides. La conductivité thermique élevée et la résistance chimique des plaques de graphite les rendent adaptées à une utilisation dans des environnements chimiques difficiles.
• Aérospatial et défense: Dans les industries de l'aérospatiale et de la défense, les plaques de graphite sont utilisées dans des applications telles que les systèmes de gestion thermique, les absorbeurs de radar et les buses de fusée. La conductivité thermique élevée et la nature légère des plaques de graphite les rendent idéales pour une utilisation dans ces applications, où l'efficacité du poids et du transfert de chaleur sont des facteurs critiques.

Conclusion

En conclusion, la conductivité thermique des plaques de graphite est une propriété cruciale qui détermine leur aptitude à diverses applications. Les plaques de graphite offrent une conductivité thermique exceptionnelle, ce qui est significativement plus élevé que celui de nombreux autres matériaux. La conductivité thermique des plaques de graphite peut varier en fonction de plusieurs facteurs, tels que le type de graphite, sa structure cristalline et le processus de fabrication. En comprenant ces facteurs et leurs effets sur la conductivité thermique, les ingénieurs et les concepteurs peuvent sélectionner les plaques de graphite les plus appropriées pour leurs applications spécifiques.

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Références

• Incropera, FP, Dewitt, DP, Bergman, TL et Lavine, comme (2007). Fondamentaux de la chaleur et du transfert de masse. Wiley.
• Touloukian, YS et Ho, Cy (1970). Conductivité thermique: solides non métalliques. Plenum Press.
• Kittel, C. (2005). Introduction à la physique à l'état solide. Wiley.