Prif wendid PTFE fel gwain gwresogydd yw ei ddargludedd thermol isel, sy'n cyfyngu ar ddwysedd wat. Trwy fewnosod graphene-atom sengl-garbon trwchus gyda dargludiad gwres hynod-yn y matrics fflworopolymer, mae gwyddonwyr deunydd yn creu cyfansoddion a allai ailddiffinio perfformiad gwresogydd PTFE. Mae'r deunyddiau hyn sy'n dod i'r amlwg yn addo goresgyn y dagfa thermol sydd wedi cyfyngu'n hir ar wresogyddion trochi fflworopolymer, o bosibl yn galluogi dwyseddau pŵer uwch, gwres cyflymach, a bywyd gwasanaeth estynedig.
Cyfyngiad Thermol Gwain PTFE Pur
Mae gan polytetrafluoroethylene (PTFE) wrthwynebiad cemegol eithriadol, arwyneb nad yw'n glynu, a phriodweddau inswleiddio trydanol rhagorol, sy'n golygu ei fod yn ddeunydd o ddewis ar gyfer gwresogyddion trochi mewn amgylcheddau cyrydol ymosodol. Fodd bynnag, mae gan PTFE pur ddargludedd thermol cynhenid isel o tua 0.2–0.3 W·m⁻¹·K⁻¹-59-33. Mewn cymwysiadau gwresogydd, mae hyn yn golygu bod yn rhaid i wres a gynhyrchir gan yr elfen wrthiannol fewnol groesi'r wain PTFE cyn cyrraedd hylif y broses. Mae'r dargludedd thermol isel yn creu graddiant tymheredd sylweddol ar draws y wain, gan orfodi terfynau dwysedd wat ceidwadol (fel arfer 1.5 W / cm² ar gyfer datrysiadau cynhyrfus a 0.8 W / cm² ar gyfer hylifau llonydd) i atal wyneb PTFE rhag mynd y tu hwnt i'w dymheredd gweithredu parhaus uchaf o tua 110 gradd.
Yr Ateb Graphene: Cynnydd o Ddeu- i Driphlyg mewn Dargludedd Thermol
Mae nanoronynnau graphene neu blatennau graphene ocsid gostyngol (rGO) yn cael eu gwasgaru i resin PTFE cyn sintro. Gall hyd yn oed canrannau bach (1-5% yn ôl pwysau) gynyddu dargludedd thermol y cyfansawdd yn sylweddol. Mae astudiaethau labordy wedi dangos bod ychwanegu 4 wt% graphene yn gwella dargludedd thermol tua 29%, tra bod 8 wt% yn arwain at welliant o 84%, ac mae 16 wt% yn cyflawni cynnydd o 157% dros PTFE pur-56. Ar lwythiadau llenwi uwch (20 wt%), gall dargludedd thermol gyrraedd 4.02 W·m⁻¹·K⁻¹, sy'n cynrychioli gwelliant o 1300%-33. Mae ymchwil mwy diweddar wedi cynhyrchu cyfansoddion PTFE gyda llwytho graffit fflworinedig o ddim ond 0.5 wt% gan gyflawni dargludedd thermol mewn awyren chwe gwaith yn uwch na PTFE-59 pur.
Ar gyfer cymwysiadau gwain gwresogydd ymarferol, targed realistig yw cynnydd o ddau- i driphlyg dros waelodlin pur PTFE-gan ddod â dargludedd thermol i'r ystod 0.6–0.9 W·m⁻¹·K⁻¹. Byddai'r gwelliant hwn yn lleihau'r graddiant tymheredd ar draws y wain yn ddramatig, gan ganiatáu fflwcs gwres uwch ar gyfer yr un terfyn tymheredd arwyneb PTFE.
Cynnal Inswleiddiad Trydanol Wrth Wella Perfformiad Thermol
Gofyniad hanfodol ar gyfer unrhyw ddeunydd gwain gwresogydd yw inswleiddio trydanol. Rhaid i'r cyfansawdd gadw eiddo dielectrig ardderchog PTFE i atal gollyngiadau cyfredol o'r elfen wresogi fewnol i hylif y broses. Mae ymchwil yn dangos, ar lwythiadau graphene isel (islaw 5 wt%), bod y gwrthedd trydanol yn parhau i fod yn ddigon uchel ar gyfer cymwysiadau inswleiddio, ar yr amod bod y graphene wedi'i wasgaru'n unffurf heb ffurfio rhwydweithiau dargludol parhaus. Mae amrywiadau graphene fflworin wedi dangos gallu insiwleiddio trydanol uchel tra'n gwella perfformiad thermol, gan eu gwneud yn arbennig o addas ar gyfer cymwysiadau gwain cyfansawdd-48.
Yr her yw cyflawni gwasgariad unffurf o graphene o fewn y matrics PTFE. Gall graphene agglomerated greu llwybrau dargludol lleol sy'n peryglu inswleiddio trydanol. Mae dulliau prosesu uwch, gan gynnwys hylif uwch-gritigol mewn-paratoi ar gyfer y sefyllfa a chymysgu mecanyddol dwys, yn cael eu datblygu i fynd i'r afael â'r mater hwn-.
Gwelliannau Cryfder Mecanyddol ac Ymwrthedd Gwisgo
Y tu hwnt i fuddion thermol, mae atgyfnerthu graphene yn gwella'n sylweddol briodweddau mecanyddol gwain PTFE. Mae PTFE pur yn arddangos ymwrthedd traul gwael a chynhwysedd cario llwyth cyfyngedig, a all arwain at ddifrod gwain mewn amgylcheddau sgraffiniol neu lif uchel. Mae ymgorffori graphene yn cynyddu cryfder tynnol, modwlws cneifio, a gwrthsefyll traul. Mae astudiaethau wedi dangos y gall cyfansoddion PTFE wedi'u hatgyfnerthu gan graphene gyflawni gostyngiadau yn y gyfradd traul sy'n fwy na dau orchymyn maint o gymharu â PTFE heb ei lenwi-10-11. Mae gwain cryfach sy'n gwrthsefyll traul yn trosi'n uniongyrchol i fywyd gwasanaeth gwresogydd hirach, yn enwedig mewn cymwysiadau â hylifau llawn gronynnau neu gynnwrf cyflymder uchel.
Effeithiau Posibl ar Ddyluniad a Pherfformiad Gwresogyddion
Os caiff ei fasnacheiddio'n llwyddiannus, gallai -gyfansoddion PTFE gwell graphene alluogi cam-newid gwelliant ym mherfformiad gwresogyddion trochi fflworopolymer:
Dwysedd wat uwch a ganiateir.Gyda gwell dargludedd thermol gwain, gellir cynnal yr un terfyn tymheredd arwyneb PTFE (110 gradd) ar fflwcsau gwres uwch. Mae dwyseddau watiau yn yr ystod o 2.0–3.0 W/cm² yn dod yn gredadwy ar gyfer datrysiadau sydd wedi'u cynhyrfu'n dda, o gymharu â'r uchafswm presennol o 1.5 W/cm². Byddai hyn yn caniatáu i'r un ôl troed gwresogydd ddarparu llawer mwy o bŵer gwresogi.
Amser codi gwres cyflymach a llai o wresogydd.Ar gyfer gofyniad pŵer cyfanswm penodol, mae dwysedd wat uwch yn caniatáu gwresogydd sy'n llai yn gorfforol. Fel arall, ar gyfer yr un maint ffisegol, gall y gwresogydd gyflawni amserau gwresogi ac adfer cyflymach. Mae'r ddau ganlyniad yn cynnig manteision peirianneg prosesau: mae gwresogyddion llai yn lleihau ymwthiad tanc, tra bod ymateb cyflymach yn gwella trwybwn proses.
Tymheredd gwifrau mewnol is.Ar gyfer dwysedd wat sefydlog, mae gwell dargludedd thermol gwain yn lleihau'r tymheredd yn yr elfen gwrthiannol fewnol. Mae tymereddau elfen is yn ymestyn oes y wifren wresogi ac yn lleihau straen thermol ar derfyniadau mewnol. Mae profiad maes yn awgrymu y gall hyd yn oed gostyngiad o 10-15 gradd mewn tymheredd elfen ddyblu bywyd gwasanaeth gwresogydd.
Ehangu i raglenni tymheredd uwch.Mae PTFE pur wedi'i gyfyngu i weithrediad parhaus 110 gradd. Er bod tymheredd parhaus uchaf y cyfansawdd yn aros yr un fath (PTFE yw'r deunydd matrics o hyd), mae'r dargludedd thermol gwell yn caniatáu i'r wain weithredu'n agosach at y tymheredd hylif, gan ymestyn yr ystod y gellir ei ddefnyddio i gymwysiadau lle mae gwresogyddion PTFE safonol yn cael trafferth â gorboethi arwyneb.
Mae'n werth ystyried y gallai'r cyfansoddion hyn wneud gwresogyddion PTFE yn gystadleuol mewn cymwysiadau gwresogi proses a wasanaethir ar hyn o bryd gan wresogyddion metel wedi'u gorchuddio neu pherfflworoalkoxy alcan (PFA). Mae'r cyfuniad o wrthiant cemegol, arwyneb nad yw'n glynu, a pherfformiad thermol gwell yn cynnig gwerth cymhellol.
Heriau Gweithgynhyrchu a Masnacheiddio
Er gwaethaf canlyniadau labordy addawol, mae'n rhaid goresgyn sawl rhwystr cyn i weiniau gwresogydd PTFE gwell graphene ddod ar gael yn fasnachol:
Gwasgariad unffurf o graphene.Mae cyflawni dosbarthiad homogenaidd o nanoplatedau graphene drwy'r matrics PTFE heb grynodeb yn parhau i fod yn dechnegol heriol. Mae gludedd toddi uchel PTFE a'i wrthwynebiad i ddulliau toddi confensiynol-yn cymhlethu prosesu. Mae -cymysgu â chymorth toddyddion ac yna-wasgu a sintro oer yn ddull labordy cyffredin, ond nid yw graddio hyn i gynhyrchu parhaus yn-ddibwys-33.
Osgoi llwybrau dargludol.Wrth i lwythiad graphene gynyddu, rhaid osgoi'r trothwy trylifiad lle mae'r cyfansawdd yn dod yn ddargludol yn drydanol. Mae hyn yn cyfyngu ar y cynnwys llenwi ymarferol mwyaf, sydd yn ei dro yn cyfyngu ar yr hwb dargludedd thermol cyraeddadwy. Mae gwaith ar graphene fflworinedig, sy'n cadw dargludedd thermol uchel tra'n parhau i fod yn inswleiddio trydanol, yn cynnig llwybr addawol ymlaen-.
Cost{0}graddfa effeithiol-i fyny.Mae graphene o ansawdd uchel yn parhau i fod yn gymharol ddrud o'i gymharu â llenwyr confensiynol fel powdr graffit neu boron nitrid. Fodd bynnag, mae datblygiadau diweddar mewn cynhyrchu graphene graddadwy-gan gynnwys diblisgo electrocemegol a phrosesu hylif uwch-gritigol-yn lleihau costau-52. Daw enghraifft nodedig o dîm ymchwil prifysgol a ddatblygodd, ar ôl degawd o ymchwil, gyfansawdd PTFE dop graphene sydd wedi cyflawni dros 140 miliwn RMB mewn archebion masnachol, gyda chynhyrchiad wedi'i raddio o sypiau labordy lefel cilogram i linellau gweithgynhyrchu tunnell fetrig-1.
Outlook ar gyfer Cymwysiadau Gwresogydd PTFE
Mae datblygu cyfansoddion PTFE gwell graphene yn ddeunydd cenhedlaeth nesaf addawol a allai gael gwared ar dagfa thermol PTFE pur, gan agor cymwysiadau newydd ar gyfer gwresogyddion fflworopolymer. Mae'r dargludedd thermol gwell, ynghyd â gwrthiant cemegol argadwedig a phriodweddau nad ydynt yn glynu, yn mynd i'r afael â'r cyfyngiad sylfaenol sydd wedi cyfyngu ar ddyluniad gwresogydd PTFE ers degawdau.
Os bydd y deunyddiau hyn yn trosglwyddo'n llwyddiannus o ymchwil i gynhyrchu masnachol, bydd ygraphene gwella cyfansawdd gwresogydd PTFEgallai alluogi dwysedd wat uwch, ymateb thermol cyflymach, llai o faint gwresogydd, a bywyd gwasanaeth hirach. Mae profion labordy yn dangos gwelliannau addawol mewn dargludedd thermol, cryfder mecanyddol, a gwrthsefyll traul. Mae'r priodweddau deuelectrig yn parhau i fod o fewn ystodau derbyniol ar gyfer cymwysiadau gwain gwresogydd pan fydd cynnwys llenwi yn cael ei reoli'n iawn.
Mae mabwysiadu masnachol yn dibynnu ar ddatrys heriau gweithgynhyrchu a chost. Mae gwasgariad unffurf, rheoli trylifiad, a chynhyrchu graddadwy yn parhau i fod yn feysydd ymchwil gweithredol. Fodd bynnag, o ystyried cyflymder y datblygiad mewn graphene-gyfansoddion polymer-gan gynnwys masnacheiddio llwyddiannus mewn pecynnau electroneg a chymwysiadau gwarchod EMI{5}}mae gwainiau gwresogyddion trochi 57-diwydiannol yn gymhwysiad tymor agos credadwy.
Yn ymarferol, mae'r gwainiau gwresogydd graphene cyntaf sydd ar gael yn fasnachol yn debygol o ymddangos o fewn y tair i bum mlynedd nesaf, i ddechrau mewn cymwysiadau gwerth uchel lle mae'r buddion perfformiad yn cyfiawnhau'r gost ddeunydd uwch. Wrth i raddfeydd cynhyrchu a chostau leihau, efallai y bydd mabwysiadu ehangach mewn cymwysiadau gwresogi cemegol cyffredinol yn dilyn. Mae'n ymddangos bod tagfa thermol PTFE pur yn barod i gael ei dorri, ac mae'r posibiliadau ar gyfer gwresogyddion fflworopolymer cenhedlaeth nesaf yn sylweddol.
