Värmeledande grafenfilm i termiska band och värmespridare för användning i radar och laser (avslutat)

Syfte och mål

Som en allmän trend fortsätter elektronik att bli alltmer kompakt, mer funktionell och kraftfullare. Detta innebär oftast högre effekter och leder till större värmeflöden och gör det svårt att hålla temperaturen optimal under drift. Projektets mål är att utveckla grafenfilmer för att balansera två positiva egenskaper; den höga termiska ledningsförmågan i två dimensioner (dvs. i planet) och den utmärkta flexibiliteten för ”straps” (rem/band) samt värmespridande plåtar för användning i radar och laser.

Det antas att grafenfilm kan ersätta delar av värmespridare och straps som består av koppar (Cu) och aluminium (Al), genom att ge dem högre värmeledningsförmåga och lägre vikt. Samtidigt har de grafenbaserade materialen samma mekaniska styrka som metaller. Viktiga fördelar med det nya grafenmaterialet är europeisk tillverknings- och försörjningskedja, lättare upphandling, ökad konkurrenskraft på den befintliga marknaden och förbättrad tillgång till nya marknader.

I detta FoI-projekt samarbetar Saab AB, Smart High-Tech AB (SHT) och Chalmers tekniska högskola. SHT är projektkoordinator och ska utveckla grafenfilmen med överlägsen termisk ledningsförmåga och flexibilitet för straps och värmespridning. Saab ansvarar för en bredare, teknisk marknadsundersökning om grafenfilm för kylning, en ”mock-up” och tillhandahåller en plattform för prototyptestning. Chalmers ska karakterisera grafenmaterialet för att förstå hur de fysikaliska och kemiska egenskaperna påverkar termisk och mekanisk prestanda. Tonvikten ligger på teknisk utveckling av grafenfilmprocessen, balansen mellan grafenfilmens goda termiska och mekaniska egenskaper, marknadsundersökning, projektspridning och nyttiggörande.

 

Resultat

Målet med projektet är att utveckla grafenfilmer för att balansera den höga värmeledningsförmågan i planet och utmärkt flexibilitet för termisk rem och värmespridningsplatta i radar- och laserapplikation.

Två typer av grafenfilmer har utvecklats: 1. Ett flexibelt termiskt band används för anslutning av två fasta komponenter; 2. Värmespridningsmaterial med relativt tjocka grafenfilmer. Effektiviteten för värmeavledning med användning av grafenband har ökat 15-35% jämfört med Cu- och Al-folier. Normalt är värmeband för Cu och Al stela och/eller tunga. Grafitbandet är sprött och inte så praktiskt att hantera. Det termiska grafenbandet visar istället mycket bättre flexibilitet och har stor potential för flexibel applicering.

Den tjockare grafenfilmen är möjlig att tillverka, och den termiska prestandan måste fortfarande förbättras. Mikrostrukturen hos grafenfilmen har karakteriserats genom metoderna XRD, SEM, TEM, Raman Spectroscopy. Värmeledningsförmågan utvärderas med laserblixten.

Alla partners har varit mycket involverade i projektet genom att ta sitt eget ansvar och interagerat med varandra för att få projektet att gå vidare. Genom att driva projektet har vi lärt oss mer om de grafenbaserade materialen, dess marknad och kommersiella tillstånd. Vi planerar att gräva mer för att förbättra själva materialet och göra det mer lämpligt för applicering på termiska band. Med samma partners kommer vi att gå vidare till nästa steg med introduktion av demonstrator och sätta upp hela systemet för att testa den termiska och mekaniska prestandan i en mer relevant miljö. Vissa praktiska frågor, som hur man industriellt monterar grafenark på termiska band, måste övervägas för kommersialisering. Tiden för att släppa grafenbaserade termiska band på marknaden beräknas till cirka tre år.

Abstract in English

Heat conductive graphene film in thermal band and heat exchanger for use in radar and laser
Electronics continue to become more compact, functional and powerful. This usually results in higher effects and leads to greater thermal flows and makes it difficult to keep the temperature optimal during operation. The project's goal is to develop graphene films to balance two positive characteristics; the high thermal conductivity in two dimensions (in the plane) and the excellent flexibility for straps and heat-spreading plates for radar and laser use. It is assumed that graphene film can replace parts of heat exchangers and straps consisting of copper (Cu) and aluminum (Al), by giving them higher thermal conductivity and lower weight. At the same time, graphenebased materials have the same mechanical strength as metals. Key advantages of the new graphene material are European manufacturing and supply chain, easier procurement, increased competitiveness in the existing market and improved access to new markets. Smart High-Tech AB (SHT) will develop the graphene film with superior thermal conductivity and flexibility for straps and heat dispersion. Saab is responsible for a broader, technical market research on graphene film for cooling, a "mock-up" and provides a platform for prototype testing. Chalmers will characterize the graphene material to understand how the physical and chemical properties affect thermal and mechanical performance. The R&I project emphasizes the technical development of the graphical film process, the balance between the graphene film's good thermal and mechanical properties, market research, project spread and utilization.

Results
The goal of the project is to develop graphene films to balance the high in-plane thermal conductivity and excellent flexibility for thermal strap and heat spreading plate in radar and laser application.Two types of graphene films have been developed: 1. Flexible thermal strap used for connecting two fixed components; 2. Heat spreading material with relatively thicker graphene films. The efficiency of heat dissipation by using graphene strap has increased 15-35% compared with Cu and Al foils. Normal Cu and Al thermal strap is rigid and/or heavy, and graphite strap is brittle,and it is not so practical by handling.

Graphene thermal strap instead shows much better flexibility. It has a great potential for flexible thermal strap application.The thicker graphene film is possible to manufactured, and the thermal performance still need to be improved. The microstructure of graphene film has beencharacterized by XRD, SEM, TEM, Raman Spectroscopy. The thermal conductivity is evaluated by Laser flash. All the partners have involved in the project very well by taking their own responsibility and intensive interaction to make the project progress. By running the project, we have learned more about the graphene-based materials, its market and commercial condition. We are planning to dig more to improve the material itself and make it more suitable for thermal strap application.

With the same partners,we will move on for next step with introduction of demonstrator and set up the whole system to test the thermal and mechanical performance in a more relevant environment. Some practical issues like how to assembly graphene sheets to graphene thermal strapin an industrial way need to be considered for commercialization. It is estimatedthe time to release graphene -based thermal strap into the market is about three years.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: Saab, SHT Smart High-Tech (SHT) och Chalmers

Projektledare: SHT Smart High-Tech (SHT)

E-mail: lilei@sht-tek.com

Bidrag: 1 000 000 kr

Projektets löptid: 30 maj 2018 - 29 nov 2019

Relaterade projekt:
Värmespridare och värmeöverförande element med grafenbaserade filmer för radar och laser (avslutat)

Relaterade styrkeområden: