A temperatura ambiente, la conductividad térmica del grafito no es un valor único, sino que se encuentra dentro de un amplio rango, típicamente de 25 a 470 vatios por metro-Kelvin (W/m·K) para las formas industriales comunes. Las formas altamente especializadas, como el grafito pirolítico, pueden exhibir una conductividad en el plano excepcionalmente alta, alcanzando hasta 2000 W/m·K, lo que supera incluso al cobre.
La clave para comprender la conductividad térmica del grafito es reconocer su profunda anisotropía. La estructura atómica en capas del material hace que conduzca el calor excepcionalmente bien a lo largo de sus planos, pero mal a través de ellos, lo que hace que el valor "correcto" dependa completamente del tipo de grafito y la dirección de la medición.
Por qué la conductividad térmica del grafito varía tan ampliamente
Un solo número para las propiedades térmicas del grafito es engañoso. El valor que utilice depende completamente del grado específico del material y de la aplicación prevista, ya que varios factores alteran drásticamente su rendimiento.
El papel crítico de la anisotropía
La estructura del grafito consiste en capas de átomos de carbono fuertemente unidas (láminas de grafeno) que están débilmente unidas entre sí. Esto crea dos vías distintas para el calor.
La conductividad en el plano (plano basal) es extremadamente alta. El calor viaja rápidamente a lo largo de estas capas con una resistencia mínima, de manera similar a cómo el agua fluye fácilmente a través de un canal ancho y abierto.
La conductividad a través del plano (a través de las capas) es significativamente menor. El calor debe "saltar" entre las capas débilmente unidas, creando un gran cuello de botella. Esto es similar a intentar cruzar una serie de barrancos desconectados.
El impacto de la forma y el grado
Los diferentes procesos de fabricación dan como resultado estructuras muy diferentes y, por lo tanto, propiedades térmicas diferentes.
El grafito pirolítico está altamente ordenado, con sus capas alineadas en paralelo. Esto da como resultado una anisotropía extrema, con una conductividad en el plano que a menudo supera los 1500 W/m·K (4 veces la del cobre) y una conductividad a través del plano tan baja como 10 W/m·K (similar al acero inoxidable).
El grafito isotrópico se forma para tener una orientación de grano más aleatoria. Esto promedia las propiedades direccionales, lo que resulta en una conductividad general más uniforme pero menor, típicamente en el rango de 85-130 W/m·K en todas las direcciones.
Las escamas de grafito natural tienen valores que varían según el tamaño y la pureza de las escamas. Las escamas individuales tienen una alta conductividad en el plano, pero cuando se prensan juntas, la conductividad general está limitada por la mala transferencia a través del plano entre ellas.
La influencia de la densidad y la pureza
Una mayor densidad significa menos poros o huecos dentro del material. Dado que los huecos actúan como aislantes, una pieza de grafito más densa generalmente tendrá una mayor conductividad térmica.
Las impurezas y los defectos en la estructura cristalina interrumpen las vías de transferencia de calor (dispersión de fonones). Por lo tanto, los grados de grafito de mayor pureza suelen exhibir un rendimiento térmico superior.
Errores comunes y conceptos erróneos
Comparar simplemente el grafito con los metales sin contexto puede llevar a malas decisiones de diseño. Sus propiedades únicas crean compensaciones específicas que deben entenderse.
Concepto erróneo 1: Siempre es mejor que el cobre
Si bien la conductividad en el plano del grafito pirolítico de alta calidad puede ser cuatro veces mayor que la del cobre, su conductividad a través del plano suele ser de 20 a 40 veces peor.
Si su aplicación requiere que el calor se extraiga de una fuente (a través del espesor del material), una pieza sólida de cobre o aluminio puede ser mucho más efectiva.
Concepto erróneo 2: La conductividad siempre aumenta con la temperatura
Esta afirmación es generalmente incorrecta para el grafito cristalino alrededor de la temperatura ambiente.
La conductividad térmica de la mayoría de las formas de grafito alcanza su punto máximo cerca o ligeramente por debajo de la temperatura ambiente y luego disminuye a medida que la temperatura aumenta. Esto se debe a que a temperaturas más altas, las vibraciones atómicas (fonones) comienzan a dispersarse entre sí, impidiendo el flujo de calor.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
La selección de la forma correcta de grafito requiere hacer coincidir sus propiedades anisotrópicas con la dirección principal del flujo de calor en su aplicación.
- Si su objetivo principal es disipar el calor a través de una superficie (2D): Elija un material altamente orientado como la lámina de grafito pirolítico. Su excepcional conductividad en el plano es ideal para disipadores de calor en electrónica.
- Si su objetivo principal es la transferencia de calor uniforme en todas las direcciones (3D): Elija un grafito sintético isotrópico o moldeado. Esto es mejor para aplicaciones como elementos calefactores, crisoles o moldes donde la temperatura constante es clave.
- Si su objetivo principal es la transferencia de calor vertical a través de un bloque: Un bloque de grafito sintético de alta densidad puede funcionar, pero tenga en cuenta que metales como el cobre o el aluminio casi siempre funcionarán mejor para esta tarea específica.
En última instancia, tratar el grafito como un simple número en una hoja de especificaciones es un error; comprender su naturaleza direccional es la clave para aprovechar sus notables propiedades térmicas.
Tabla resumen:
| Tipo de grafito | Conductividad térmica típica (W/m·K) | Características clave |
|---|---|---|
| Grafito pirolítico | En el plano: 1500-2000, A través del plano: ~10 | Altamente anisotrópico, ideal para la disipación de calor 2D |
| Grafito isotrópico | 85-130 (todas las direcciones) | Propiedades uniformes, bueno para aplicaciones 3D |
| Escamas de grafito natural | Varía ampliamente con el tamaño/pureza de las escamas | Alta conductividad en el plano por escama |
| Grafito industrial común | 25-470 | Amplio rango, depende de la densidad y la pureza |
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