Die Wärmeleitfähigkeit von Graphen ist bemerkenswert hoch und ändert sich mit der Temperatur.
Im Gegensatz zu typischen Metallmaterialien übertrifft die Wärmeleitfähigkeit von Graphen Metalle wie Eisen, Blei und Stahl.
Zunächst steigt sie mit der Temperatur an, bevor sie wieder abnimmt.
Dieses Verhalten wird durch die energiegeladene Bewegung erhitzter Moleküle im Graphen verursacht, die die Wärmeleitung durch seine Struktur verbessert.
Wie ist die Wärmeleitfähigkeit von Graphen in Abhängigkeit von der Temperatur? (4 Schlüsselpunkte)
1. Anfänglicher Anstieg der Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur
Graphen, eine Form von Kohlenstoff mit einer hoch geordneten Struktur, weist aufgrund seiner starken kovalenten Bindungen und frei beweglichen Elektronen eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit auf.
Bei niedrigeren Temperaturen nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Graphen mit steigender Temperatur zu.
Dies geschieht, weil die erhöhte Wärmeenergie Elektronen und Phononen (quantisierte Schwingungsformen) anregt, was ihre Beweglichkeit und die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung erhöht.
2. Verringerung der Wärmeleitfähigkeit bei höheren Temperaturen
Mit steigender Temperatur beginnt die Wärmeleitfähigkeit von Graphen zu sinken.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass Phononen bei höheren Temperaturen stärker gestreut werden, wodurch ihr Fluss gestört wird und ihr Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit sinkt.
Bei sehr hohen Temperaturen können auch die Dichte und Porosität des Materials die Effizienz der Wärmeübertragung beeinträchtigen.
3. Anisotrope Natur von Graphen
Graphen ist ein anisotropes Material, d. h. seine thermischen Eigenschaften können je nach Richtung des Wärmeflusses variieren.
Diese Anisotropie kann zu unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitswerten führen, je nach Ausrichtung der Graphenschichten.
Dies ist ein kritischer Faktor bei Anwendungen, bei denen das Wärmemanagement entscheidend ist.
4. Experimentelle Beobachtungen
Graphen wird in thermochromen Bauelementen verwendet, bei denen seine thermischen Eigenschaften elektrisch moduliert werden können.
Diese Modulation zeigt sich in den Farbänderungen, die bei thermochromen Streifen beobachtet werden, wenn eine Spannung angelegt wird, die eine Temperaturänderung anzeigt.
Dies zeigt das Potenzial von Graphen für Sensoranwendungen, bei denen seine Leitfähigkeit dynamisch angepasst werden kann.
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