No entanto, o material continua a ser difícil de manusear devido à sua fragilidade, o que o torna impraticável para muitas aplicações. Para resolver este problema, a multinacional desenvolveu com sucesso uma tecnologia para laminar nanotubos de carbono alinhados verticalmente, mantendo as suas características originais de elevada condutividade térmica e flexibilidade, bem como uma tecnologia para os unir com adesão suficiente. Isto facilita o corte e a manipulação das folhas de nanotubos de carbono, permitindo que sejam utilizadas como material de dissipação de calor, por exemplo, em módulos de energia automóvel para veículos elétricos (VEs).


Contexto e Desenvolvimento:
Os veículos eléctricos estão a ser cada vez mais utilizados à medida que os esforços para regular as emissões de gases com efeito de estufa se intensificam em todo o mundo. Apesar disso, o facto de os veículos eléctricos serem mais caros do que os veículos movidos a gasolina e de não terem uma autonomia semelhante continua a dificultar a sua adopção em larga escala.

Para ultrapassar estas limitações, têm sido desenvolvidos esforços para desenvolver dispositivos semicondutores utilizando carboneto de silício ou nitreto de gálio como alternativas ao silício habitualmente utilizado, visando reduzir o tamanho, o peso, o consumo de energia e o custo dos módulos de potência dos veículos elétricos. No entanto, para que isto se torne uma realidade, é necessário abordar medidas para gerir o calor gerado em torno dos dispositivos semicondutores devido à miniaturização dos módulos e componentes, como a dissipação de calor e os materiais de junção, que devem ser concebidos para atingir níveis sem precedentes de resistência e condutividade térmica.



Desafios:
Os nanotubos de carbono, um tipo de nanomaterial composto por átomos de carbono, apresentam uma condutividade térmica cerca de 10 vezes superior à do cobre. Uma possível aplicação deste material é como dissipador de calor para fontes térmicas, como por exemplo dispositivos semicondutores. Em 2017, a Fujitsu desenvolveu uma folha de alta condutividade térmica utilizando nanotubos de carbono, mas para manter a sua forma, é sinterizada e moldada a uma temperatura muito elevada de 2000 °C ou superior, resultando num material inflexível. Uma folha rígida pode aderir a materiais planos, mas é inadequada para unir materiais irregulares, limitando, assim, as suas potenciais aplicações.

Além disso, nas áreas em redor dos dispositivos semicondutores onde a fiabilidade é essencial, é necessário unir tanto o semicondutor como o dissipador de calor utilizando uma folha redutora de calor composta por nanotubos de carbono. Isto permite que a folha se adapte à mudança de forma causada pelas diferenças de temperatura antes e depois do funcionamento do dispositivo. Geralmente, os nanotubos de carbono são tornados adesivos através da sua mistura com um material adesivo, como resina ou borracha, formando uma folha. No entanto, como estes materiais adesivos têm uma baixa condutividade térmica, alcançar níveis suficientes de condutividade térmica e adesão tem sido extremamente difícil. Relativamente à nova tecnologia desenvolvida: As principais características da tecnologia desenvolvida são as seguintes:

1. Tecnologia de Laminação de Folhas: A Fujitsu desenvolveu uma técnica para laminar nanotubos de carbono alinhados verticalmente, mantendo o seu alinhamento. A folha é constituída por duas camadas: uma camada protetora e uma camada adesiva. A camada laminada protege as extremidades superior e inferior dos nanotubos de carbono. Estes nanotubos são difíceis de utilizar como materiais de dissipação de calor porque perdem a sua forma com facilidade. No entanto, esta tecnologia protege os próprios nanotubos de carbono com uma camada laminada, estabilizando a sua forma e facilitando o corte e a manipulação — um desafio com as tecnologias convencionais.


2. Tecnologia de Colagem de Folhas com Alta Condutividade Térmica: O laminado é feito de um polímero com vários mícrons de espessura. Como mesmo uma pequena quantidade de resina pode causar uma elevada resistência térmica, conseguir simultaneamente adesão e condutividade térmica tornou-se um desafio a ultrapassar. Assim, otimizando três ou mais parâmetros de correlação, como a densidade dos nanotubos de carbono, o tipo e a espessura da resina e as condições de adesão, obteve-se o conhecimento necessário sobre a resistência térmica na interface entre os nanotubos de carbono e as resinas, adquirida ao longo de muitos anos, possibilitando a adesão dos nanotubos de carbono, mantendo propriedades adesivas suficientes, sem comprometer a condutividade térmica.

Efeitos:

A folha adesiva de nanotubos de carbono recentemente desenvolvida apresenta uma condutividade térmica até três vezes superior à do material convencional de dissipação de calor atómico, conhecido como material de elevada condutividade térmica, em comparação com os valores medidos, incluindo a resistência da interface.

Como a folha é laminada com adesivo e camadas protetoras, pode ser facilmente cortada, manuseada e utilizada em aplicações que exijam aderência

Estas tecnologias permitirão a utilização prática de nanotubos de carbono como materiais de dissipação de calor, incluindo em módulos de potência automóvel para veículos elétricos.


Figura 2: Folha adesiva de nanotubos de carbono

Planos futuros

No futuro, os Laboratórios Fujitsu licenciarão as suas folhas de nanotubos de carbono a empresas de fabrico de
materiais e equipamentos elétricos e continuarão a apoiar a sua comercialização e utilização prática.

(1) W/mK (watts por metro por Kelvin). Unidade para medir a condutividade térmica.