Използване на метода на лазерната светкавица за разработване на термични интерфейси на основата на графен

Автори: Д-р Азаде Мирабедини и д-р Нишар Хамид, MPhil, PhD CChem, Група за интелигентни материали и композити, Факултет по природни науки, инженерство и технологии, Технологичен университет Суинбърн, Австралия

С уникален набор от физични и механични свойства графенът, двуизмерната кристална решетка тип "пчелна пита" от ^{sp2-хибридизиран} въглерод, се радва на силен академичен и промишлен интерес при разработването на леки, интелигентни и здрави хибридни материали. Наред с изключителната си здравина и лекота графенът се отличава с отлична топло- и електропроводимост, прозрачност и висока гъвкавост. Съобщава се, че вътрешната топлопроводимост на графена е в границите на 2000-4000 ^Wm-1K-1, главно в зависимост от страничните му размери, качеството на кристала и концентрацията на дефекти, което е сред най-високите стойности от всички известни материали^[1,2]. Удивително е, че топлопроводимостта на графена може да се променя, като стойността нараства логаритмично като функция на размера на графеновите проводящи пътища в материала. Това оскъдно свойство разшири използването му в полимерни композити и покрития, за да му придаде "неограничени" възможности за редица цели, свързани с управлението на топлината. Като се има предвид това, полимерни композити на основата на графен са докладвани за използване в редица приложения, включително материали за термични интерфейси и радиатори, топлоразпределители, термични смазки, охлаждащи течности и т.н.^[3].

Повечето от настоящите методи за производство на графен все още не могат да се мащабират до количества large и по този начин използването на наноматериали от няколкослоен графен (FLG) напоследък се превърна в един от най-ефективните, евтини и мащабируеми подходи за практически топлинни приложения^[4,5] FLG запазва отлични свойства на топлопроводимост, като същевременно предлага по-голяма площ на напречното сечение за топлинния поток и може да улесни образуването на взаимосвързана мрежа от FLG пълнители в полимерната матрица, подобрявайки топлинните характеристики на композитите^[6]

Топлопроводимостта възниква на молекулярно ниво, когато топлинната енергия се абсорбира от дадена повърхност и предизвиква микроскопични сблъсъци на частиците и предава енергията на съседните им частици - процес, който ще продължи, докато се добавя топлина. Топлинната дифузия е най-важният термофизичен параметър на материала за характеризиране на свойствата на топлинния транспорт на даден материал. Техниката на лазерната светкавица е безразрушителен, безконтактен и прецизен метод, който е най-широко разпространен за определяне на топлинните характеристики на материалите при повишени температури.

Как се съчетават измерването и моделирането

Нашата неотдавнашна статия в списанието Industrial & Engineering Chemistry Research описва приложението на NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® при изследването на свойствата на топлинната дифузия на модифицирани с графенови нанопластинки (GnP) епоксидни полимерни нанокомпозити. GnP са със среден диаметър на частиците от около 25 µm и съдържат около 18-24 графенови слоя. Високата скорост на събиране на данни на това устройство от 2 MHz позволява надеждни и точни измервания на високопроводими и/или тънки материали. Отлятите нанокомпозити бяха нарязани на образци с квадратна форма и дължина на страната 10 mm. Тяхната термична дифузия беше измерена между стайна температура и 150 °C по време на нагряването и охлаждането. Използвайки теорията на ефективния medium,^[7] беше разработен и прост аналитичен модел, който включва както съпротивлението на Капица (известно още като междуфазово термично съпротивление или термично гранично съпротивление), така и контактното съпротивление графен-графен, за да се изчисли ефективната топлопроводимост на нанокомпозитите.

След това е изчислена топлопроводимостта на всеки образец като произведение от плътността, топлинната дифузия и специфичната топлина на материала. На фигура 1 (а-б) е показана топлопроводимостта на така подготвените GnP-епоксидни образци като функция на температурата за нанокомпозити, съдържащи различни натоварвания на GnP (xGnP M-25 и M-5, наричани по-долу за краткост съответно GnP25 и GnP5) (0,5 - 5,0 тегловни %).

Защо размерът и натоварването имат значение

Стойностите на топлопроводимостта се повишават с увеличаването на натоварването с GnP, както и на размера на частиците, като при нанокомпозитите не се наблюдава видим праг на топлинна перколация. След това новият модел на ефективна топлопроводимост е валидиран с експериментални резултати за произволно ориентирани двуфазни хетерогенни GnP-епоксидни нанокомпозити. Таблица 1 включва входните параметри, въведени в създадените модели на топлопроводимост, последвани от корелация на експерименталните данни със създадените теоретични модели на топлопроводимост, изобразени на фигура 2 (а-б) за GnP-епоксидни нанокомпозити, съдържащи съответно GnP25 и GnP5.

Наблюдава се постоянно увеличаване на коефициента на топлопроводност с увеличаване на натоварването на пълнителя както за частиците GnP25, така и за GnP5. Освен това се наблюдава силно съответствие между предсказаните стойности от модела на топлопроводността и експерименталните данни за двата вида композити (вж. фигура 2 (а-б)), като изчислените коефициенти на корелация са съответно ~0,98 и ~0,99 за нанокомпозити, съдържащи GnP5 и GnP25. Този резултат доказва, че конструираният в изследването модел на топлопроводимост може да осигури добро предсказване на топлопроводимостта на GnP-епоксидни нанокомпозити при различни натоварвания с GnP. Повишаването на ефективността на мащабируемостта на производството и разширяването на настоящите модели на материалите ще подпомогне проектирането на графенови композитни структури с предсказуеми свойства и безопасни режими на разрушаване, което от своя страна ще улесни производството на мащабируеми композити с ламинатна структура за редица високотехнологични приложения, като например в космическата и автомобилната промишленост.

Това изследване допринесе за ръководеното от DMTC сътрудничество, включващо мрежа от изследователски и индустриални партньори от цяла Австралия. Повече подробности можете да намерите в статията: Връзка към https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Препратки към

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

[2] M. C. Mbambo, S. Khamlich, T. Khamliche, M. K. Moodley, K. Kaviyarasu, I. G. Madiba, M. J. 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. Tan, Y. Weizman, P. Middendorf, R. Bjekovic, L. Hyde, D. Antiohos, N. Hameed, 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.