استخدام طريقة الوميض بالليزر لتطوير مواد الواجهات الحرارية القائمة على الجرافين الهندسي

المؤلفون: آزاده ميرابديني، دكتوراه ونشار حميد، دكتوراه في الفيزياء والكيمياء، مجموعة المواد الذكية والمركبات، كلية العلوم والهندسة والتكنولوجيا، جامعة سوينبرن للتكنولوجيا، أستراليا

بفضل مجموعة فريدة من الخصائص الفيزيائية والميكانيكية، يحظى الجرافين، وهو عبارة عن شبكة بلورية ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل من الكربون ^المهجن على شكل قرص عسل ثنائي الأبعاد، باهتمام أكاديمي وصناعي كبير في تطوير مواد هجينة خفيفة الوزن وذكية وقوية. وبالإضافة إلى قوته الفائقة وخفة وزنه، يتميز الجرافين أيضاً بتوصيل حراري وكهربائي ممتاز، كما أنه شفاف ومرن للغاية. وتفيد التقارير أن الموصلية الحرارية الجوهرية للجرافين تتراوح بين 2000-4000 ^{واط/م-1كلفن-1،} وذلك يعتمد بشكل أساسي على أبعاده الجانبية ونوعية البلورة وتركيز العيوب، وهي من بين أعلى المعدلات مقارنة بأي مادة معروفة.^[1،2] ومن المثير للدهشة أنه وُجد أن الموصلية الحرارية للجرافين قابلة للتغيير أيضًا مع زيادة القيمة اللوغاريتمية كدالة لحجم المسارات الموصلة للجرافين داخل المادة. وقد أدت هذه الخاصية النادرة إلى توسيع نطاق استخدامه في مركبات البوليمر والطلاءات لمنح قدرات "غير محدودة" لمجموعة من أغراض الإدارة الحرارية. وبالنظر إلى ذلك، تم الإبلاغ عن استخدام مركبات البوليمر القائمة على الجرافين في مجموعة من التطبيقات، بما في ذلك مواد الواجهات الحرارية والمشتتات الحرارية وموزعات الحرارة وموزعات الحرارة والشحوم الحرارية والمبردات وما إلى ذلك^[3].

إن معظم طرق إنتاج الجرافين الحالية غير قابلة للتطوير حتى الآن إلى كميات كبيرة، وبالتالي، أصبح استخدام المواد النانوية قليلة الطبقات من الجرافين (FLG) مؤخرًا أحد أكثر الطرق فعالية ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطوير للتطبيقات الحرارية العملية.^[4،5] يحتفظ الجرافين النانوي بخصائص توصيل حراري ممتازة مع توفير مساحة مقطع عرضي أعلى لتدفق الحرارة ويمكن أن يسهل تشكيل شبكة مترابطة من حشوات الجرافين النانوي داخل مصفوفة البوليمر، مما يعزز الأداء الحراري للمركبات.^[6]

ويحدث التوصيل الحراري على المستوى الجزيئي عندما يتم امتصاص الطاقة الحرارية بواسطة السطح ويتسبب في حدوث تصادمات مجهرية للجسيمات ونقل الطاقة إلى الجسيمات المجاورة لها، وهي عملية تستمر طالما أن الحرارة مضافة. الانتشار الحراري هو أهم بارامتر فيزيائي حراري للمادة لتوصيف خصائص النقل الحراري للمادة. وتعد تقنية الوميض بالليزر طريقة غير مدمرة وغير تلامسية ودقيقة، وهي الطريقة الأكثر قبولاً على نطاق واسع لتحديد الأداء الحراري للمواد في درجات الحرارة المرتفعة.

كيف يجتمع القياس والنمذجة معاً

يوضح مقالنا الأخير في مجلة بحوث الكيمياء الصناعية والهندسية تطبيق NETZSCH LFA 467 ^{HyperFlash®®} في التحقيق في خصائص الانتشار الحراري لمركبات الإيبوكسي النانوية المعدلة من الجرافين النانوية (GnP) - مركبات البوليمر النانوية الإيبوكسي. يبلغ متوسط قطر جسيمات الجرافين النانوية حوالي 25 ميكرومتر وتحتوي على حوالي 18-24 طبقة جرافين. يسمح معدل الحصول على البيانات المرتفع لهذا الجهاز البالغ 2 ميجاهرتز بقياسات موثوقة ودقيقة للمواد عالية التوصيل و/أو الرقيقة. تم تقطيع المركبات النانوية المصبوبة إلى عينات مربعة الشكل بطول ضلع يبلغ 10 مم. تم قياس انتشارها الحراري بين درجة حرارة الغرفة و150 درجة مئوية أثناء التسخين والتبريد. وباستخدام نظرية الوسط الفعال^[7] ، تم أيضًا تطوير نموذج تحليلي بسيط يتضمن كلاً من مقاومة كابيتزا (المعروفة أيضًا باسم المقاومة الحرارية البينية أو مقاومة الحدود الحرارية) ومقاومة التلامس بين الجرافين والجرافين لحساب الموصلية الحرارية الفعالة للمركبات النانوية.

ثم حُسبت الموصلية الحرارية لكل عينة كحاصل ضرب الكثافة والانتشار الحراري والحرارة النوعية للمادة. يوضح الشكل 1 (أ-ب) الموصلية الحرارية لعينات GnP-إيبوكسي كما تم تحضيرها كدالة لدرجة الحرارة للمركبات النانوية التي تحتوي على حمولات مختلفة من GnP (XGnP M-25 وM-5، ويرمز لهما فيما يلي ب GnP25 وGnP5 على التوالي) (0.5 - 5.0 بالوزن بالوزن).

سبب أهمية الحجم والتحميل

أظهرت قيم الموصلية الحرارية أنها تتعزز مع زيادة تحميل GnP وكذلك حجم الجسيمات، حيث لم تقدم المركبات النانوية عتبة ترشيحات حرارية واضحة. تم بعد ذلك التحقق من صحة نموذج التوصيل الحراري الفعال الجديد مع النتائج التجريبية للمركبات النانوية غير المتجانسة ثنائية الطور غير المتجانسة GnP-إيبوكسي ذات التوجه العشوائي. يشتمل الجدول 1 على معلمات المدخلات التي تم إدخالها في نماذج التوصيل الحراري التي تم إنشاؤها، يليها ارتباط البيانات التجريبية بالنماذج الحرارية النظرية التي تم إنشاؤها والموضحة في الشكل 2 (أ-ب) للمركبات النانوية GnP-إيبوكسي النانوية المحتوية على GnP25 وGnP5 على التوالي.

لوحظت زيادة مطردة في التوصيل الحراري مع زيادة تحميل الحشو لكل من جسيمات GnP25 و GnP5. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ وجود اتفاق قوي بين القيم المتوقعة بواسطة نموذج التوصيل الحراري والبيانات التجريبية لكلا النوعين من المركبات (انظر الشكل 2 (أ-ب))، مع معاملات ارتباط محسوبة تبلغ حوالي 0.98 و0.99 تقريبًا للمركبات النانوية التي تحتوي على GnP5 وGnP25 على التوالي. تثبت هذه النتيجة أن نموذج التوصيل الحراري الذي تم إنشاؤه في الدراسة يمكن أن يوفر تنبؤًا جيدًا بالتوصيل الحراري للمركبات النانوية النانوية المحتوية على GnP-epoxy عند تحميلات GnP المختلفة. ستساعد زيادة كفاءة قابلية التوسع في التصنيع وتوسيع نماذج المواد الحالية في تصميم هياكل مركبات الجرافين بخصائص يمكن التنبؤ بها وأنماط فشل آمنة، مما يسهل بدوره تصنيع مركبات ذات بنية صفائحية قابلة للتطوير لمجموعة من التطبيقات المتطورة مثل صناعات الطيران والسيارات.

وقد ساهم هذا البحث في التعاون الذي يديره مركز دبي للصناعات المتعددة، والذي يضم شبكة من الشركاء في مجال البحوث والصناعة في جميع أنحاء أستراليا. يمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل في المقال: رابط https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

المراجع

[1] E. Pop, V. V. Varshney, A. K. a. K. Roy, MRS Bull.2012,37, 1273.

[2] M. C. Mbambo, S. Khamlich, T. Khamliche, M. K. Moodley, K. K. Kaviyarasu, I. G. Madiba, M. J. Madito, M. Madito, M. Khenfouch, J. Kennedy, M. Henini, E. Manikandan, M. Maaza, Sci Rep.2020, 10, 1.

[3] J. Chen, B. Liu, X. Gao, Results Phys.2020, 16, 102974.

[4] A. Mirabedini, A. Ang, M. Nikzad, B. Fox, K. T. Lau, N. Hameed, Adv. Sci.2020, 1903501, 33.

[5] M. Reghat, A. Mirabedini, A. M. Mirabedini, A. M. Tan, Y. Weizman, P. Middendorf, R. Bjekovic, L. Hyde, D. Antiohos, N. Hameid, F. K. Fuss, B. Fox, Compos. Sci. Technol.2021,211, 108842.

[6] Z. Barani, F. Kargar, A. Mohammadzadeh, S. Naghibi, C. Lo, B. Rivera, A. A. Balandin, Adv. Electron. Mater.2020, 6, 1.

[7] L. Anderson, P. Govindaraj, A. Ang, A. Mirabedini, N. Hameed, Carbon Trends2021, 4, 100047.

[8] Y. Su, J. J. Li, G. J. Weng, Carbon N. Y. 2018, 137, 222.

[9] M. Gresil, Z. Wang, Q. A. Poutrel, C. Soutis, Sci. Rep.2017, 7, 1.