深度思考系列之六：如何分辨導熱及散熱？

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2017-12-14

所謂「實踐見真知」。兩年前我陪同常州〇索的周總到客戶處討論散熱解決方案，回程在車上我問了：如何區分散熱與導熱？記得那時候我的回答是，散熱是「系統面」，而導熱是「結構面」。其實，那時候對於兩者間差異還是有些疑問沒有解釋清楚。就字面上的說法是，導熱指通過「介質」傳導熱量，散熱指物體熱量散發到周圍環境。導熱由於物體內部分子、原子和電子等微觀粒子的熱運動，而組成物體的物質並不發生宏觀的位移，將熱量從高溫區傳到低溫區的過程稱為導熱。而散熱的方式有輻射、傳導及對流三種。其中，某些文獻提到，輻射占整個熱管理的 75-85%，是影響散熱好壞的最主要變因。

聽起來好像很順理成章，在進入我接下來要闡述的實證中，我們先來探討為何金屬導熱好、散熱好，而高分子卻相反？及兩種材料相比，是否導熱好的材料就一定散熱好？首先，我先講結論。金屬導熱好但散熱不見得好，而高分子即使導熱、散熱不佳，但摻入適量的石墨烯後，導熱雖然差很多，但散熱卻更好。這就令人好奇想要繼續研究下去了！

金屬的導熱性好跟金屬原子的排列狀態有關。金屬原子容易失去最外層電子，形成正離子，失去的電子成為自由電子，形成電子云，與金屬正離子通過正負電相吸引而結合在一起，金屬正離子振動越快，自由電子移動速度越快，說明能量越高，也就是溫度高，由於自由電子能夠自由移動，金屬正離子振動越快，互相傳遞能量的速度也就越快，所以傳熱比較快，也就是導熱性好。反觀，對高分子而言，通常為飽和體系，無自由電子，導熱載體為「聲子」，熱傳導主要依靠「晶格振動」。聚合物相對分子質量很大，具有多分散性，分子鏈則以無規則纏結方式存在，難以完全結晶，再加上分子鏈的振動對聲子有散射作用，使高分子材料的熱導率很小。

自從 2016 年起我陸續做了五輪實驗，現在終於可以很清楚了解導熱與散熱有什麼差別？整體來說，有了導熱好的材料，才會有能傳熱的介質，如果有了傳熱的介質，也是要有將熱吸走的界面，這樣整個完整架構才能夠叫做散熱好。我常用的形容是，散熱就是在這個界面處把熱拉出來，靠的是「輻射」；但在界面內你自己得努力跑到界面，靠的是「傳導」。所以，導熱好、輻射差，結果就是散熱差，唯有導熱好、輻射好，那才算是散熱好。首先，我們還是先整理張圖表，再進一步說明給大家了解。

可以看出，鋁板在 xy 及 z 軸的熱導率均優於其他各類塗層，但實地測試降溫情況卻令人大呼意外。左邊放的是石墨烯塗層，右邊放的是鋁板，左邊竟然比右邊溫度少了 27.2℃。那唯一的問題就是「發射率」了，這才是造成鋁板導熱性佳、但散熱性表現不好的主要因素。

一個月前，粉末塗料代工廠反映一個問題讓我很感興趣，他們提到用傳統的導電炭黑塗層也差不多降到那麼多溫度，但沒有測過熱導率。我們再回頭看看上面那張表，其實兩者發射率接近，也就是在一段時間後，靠著輻射可以把熱帶到環境中達成同樣的降溫效果。但兩者在熱導率上還是有著明顯差距，這裡又可以分成兩個方向去探討，

第一，導電炭黑塗層在 xy 軸的熱導率表現不佳，這是因為填料結構不同造成的影響嗎？

第二，導電炭黑塗層在 z 軸的熱導率還不差，那會不會是因為發射率所驅使？

這需要進一步實驗設計來證明，不過，我們實地試驗發現，的確在導電炭黑塗層與石墨烯塗層到達相同降溫點，石墨烯塗層所耗費的時間還是比較短些。

我們不僅追求散熱好，更追求導熱好、散熱好的材料，因為熱出不來是會讓元件受損的。以前被那麼外行初學者問到，既然金屬導熱比石墨烯塗層好，幹嘛要用石墨烯塗層？以前我只會回答因為表面要保護呀，現在我終於可以理直氣壯地回答這個問題了！

傳統要使高分子具有更好的熱導率，實踐中通常採用添加高熱導率填料的方式來提高高分子的熱導率，得到導熱型高分子複合材料。而填料種類不同其導熱機理也有所不同。其中，金屬填料是靠「電子」運動進行導熱；非金屬填料主要依靠「聲子」導熱，其熱能擴散速率主要取決於鄰近原子或結合基團的振動。

回頭來探討石墨烯塗層。石墨烯被定義為「半金屬」，從材料的角度來看，石墨烯每個碳原子透過 σ 鍵與相鄰的三個碳原子連接，而每個碳原子剩下一個未成鍵的 π 電子與周圍的原子形成大 p 共軛結構，這樣 π 電子就能在石墨烯整個晶體結構中自由運動。這時候，電子透過 p 軌道重迭而發生離域，產生價帶充滿電子地延伸 π 系統。但電子在晶體上並不是完全自由運動的，是受「勢場」與「聲子」影響。所以，石墨烯兼具「電子運動」及「聲子導熱」兩種導熱機理。　　

其次，石墨烯的熱傳導率隨著橫向尺度大小呈對數遞增。石墨烯越長，單位長度傳遞的熱越多，這點我們可以把它視為因為長度較大，相同面積下傳遞路徑相對較短導致，這也是二維碳原子層材料所發現另一個獨一無二的屬性。另外，石墨烯垂直於平面之熱傳導率由於聲子受到邊界散射的影響，會隨著石墨烯層數增加而降低。聲子是晶格振動的量子化形式，但當兩個晶體有邊界不對齊時，熱傳遞數值僅為 1/10。

過去我們也試過不同滲濾閾值的石墨烯塗層發現，最主要的還是要建構出導熱網路，後面再來決定使用何種石墨烯。理論上，片徑較大的石墨烯，因為在單位面積內熱傳遞的距離最短，所以導熱性較佳。但眼尖的讀者卻可以發現：上表中片徑越小的石墨烯塗層在散熱表現上反而比片徑較大的石墨烯塗層好，那不是互相衝突嗎？其實，塗層成分並不是只有石墨烯，反而更大比例是高分子，所以匹配高分子粒徑的石墨烯是巨觀角度，而前面提到片徑大是微觀角度，再加上不同片徑混雜所造成的熱散射，已經不是光憑理論就可以說明一切的，惟有你親自做過每個試驗，你才能像我有底氣說出這些事實。