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

Cross section of graphene film with well-aligned structure

Cross section of graphene film with well-aligned structure

Syfte och mål

Genomförbarhetsstudien syftade till att studera möjligheten att tillverka och använda grafenfilmers extremt höga värmeledningsförmåga i tillämpningar där god värmespridning och/eller förmåga till värmetransport kan ge lägre temperaturer på elektriska komponenter. I synnerhet inkapslade grafenfilmer och termisk ”strap” studerades.

Vi ville också prova en ny-gammal konstellation av partners: Chalmers tekniska högskola (karakterisering), SHT Smart High Tech (tillverkning) och Saab (användare). Genomförbarhetsprojektets partners samarbetade också med en extern leverantör.

Genomförande

Projektet bestod av:
• Studie och grafentillverkning för inkapsling i metall. Filmerna borde vara tjockare än 100 mikrometer.
• Studie och tillverkning av film för värmeledande ”band”/”strap”. Filmer 10-100 mikrometer.
• Karakterisering av värmeledningsförmåga och övriga relevanta mekaniska egenskaper
• Mock-up för att visa prestanda i något applikationsliknande sammanhang.
• Inventera världsmarknaden för liknande värmeledande produkter med grafen.
• Studera om leverantörskedjan är lämplig.

Effekter och resultat

Grafenfilmer med tjocklekar 10-100 mikrometer syntetiserades och den uppmätta värmeledningsförmågan var 1200-1900 W/mK i planet. Den mekaniska styrkan var överlägsen jämförbar pyrolytisk grafit på marknaden. Draghållfastheten var ca tre gånger högre än grafit och vår grafitfilm klarar ca dubbelt så många bockningscykler jämfört med testade grafitark.
Vi konstaterade att tillverkning av grafenfilm fortfarande kräver bättre processkontroll.
Filmer under 100 mikrometers tjocklek ser fortfarande mycket lovande ut som värmetransportör. De kombinerar utmärkt värmeledning med övriga goda mekaniska egenskaper. Tjocklekar över 100 mikrometer, t.ex. för inkapsling av film i metall, är fortfarande svårt att tillverka. Det finns dock ett flertal processparametrar att arbeta med för att kunna få bättre filmer.
Under genomförbarhetsstudien hann vi inte gör någon mock-up.

Övrigt
Det finns några enstaka värmeledande grafenprodukter på marknaden nu. De är ett välkommet tillskott för användare, men deras prestanda är fortfarande okända för oss.

Konstellationen med akademin, SMT, end-user och extern SME-leverantör fungerade bra. Detta motiverar fortsättning i ett större projekt.

Abstract in English

Heat spreaders and heat transfer elements with graphene-based films for radar and laser

Objective:
The possibility study was meant to investigate the potential to manufacture and use the extreme thermal conductivity of graphene films in applications where good heat spreading and/or heat transport properties could enable lower electronic component temperatures. In particular, encapsulated graphene films and thermal straps” were studied.
We also wanted to test a new-old constellation of partners – Chalmers (characterization), SHT (manufacturing) and Saab (user). These partners in the study also worked with an external supplier.

The project consisted of the following tasks:
• Study of, and manufacture of graphene films for encapsulation in metal. The films should be thicker than 100 micrometer.
• Study and manufacture films for thermal straps. The films should be 10-100 micrometers thick.
• Characterization of thermal conductivity and other relevant mechanical properties.
• Mock-up to show performance in something more application-looking context.
• Inventory the market for similar heat conductive products with graphene
• See if the supply chain is adequate

Effects and results:
Graphene films with thicknesses 10 to 100 micrometers were synthesized and the measured thermal conductivity was 1200-1900 W/mK in-plane. The mechanical strength was superior equivalent pyrolytic graphite on the market. The tensile strength was approximately three times higher than graphite and our graphene film withstood twice as many bending cycles as compared to our reference graphite sheet. We also conclude that manufacture of graphene film still needs better process control. Films thinner than 100 micrometers still seem very promising as heat transporters. They combine excellent heat conductivity with other good mechanical properties. Film thicknesses above 100 micrometer, e.g for encapsulation in metal gasket, remain difficult to produce. However, there still are a number of process parameters to work with to achieve better film quality. During the study we did not have material to make a mock-up.

Miscellaneous
There are some heat conductive graphene products on the market now. They could become a welcome addition for end-users. The thermal properties are still unknown to us.
The constellation with academia, SMT, end-user and external SME supplier worked very well. This fact motivates a continuation in a more extensive project.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (1) 2017

Projektpartners: Saab, SHT Smart High Tech, Chalmers

Projektledare: Torbjörn Nilsson

E-mail: torbjorn.mj.nilsson@saabgroup.com

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 1 maj 2017 - 31 januari 2018

Relaterade projekt:
Värmeledande grafenfilm i termiska band och värmespridare för användning i radar och laser

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: