Použití metody laserového záblesku pro vývoj materiálů tepelných rozhraní na bázi grafenu

Autoři: Azadeh Mirabedini, PhD a Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Smart Materials and Composites Group, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Austrálie

Díky jedinečnému souboru fyzikálních a mechanických vlastností se grafen, dvourozměrná voštinová krystalová mřížka ^{sp2-hybridizovaného} uhlíku, těší intenzivnímu zájmu vědců i průmyslu při vývoji lehkých, inteligentních a odolných hybridních materiálů. Vedle mimořádné pevnosti a lehkosti grafenu se vyznačuje také vynikající tepelnou a elektrickou vodivostí a je průhledný a vysoce flexibilní. Uvádí se, že vlastní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost grafenu se pohybuje v rozmezí 2000-4000 ^Wm-1K-1, především v závislosti na jeho příčných rozměrech, kvalitě krystalů a koncentraci defektů, což je jedna z nejvyšších hodnot ze všech známých materiálů^[1,2]. Fascinující je, že Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost grafenu je také proměnlivá, přičemž hodnota logaritmicky roste v závislosti na velikosti grafenových vodivých drah v materiálu. Tato vzácná vlastnost rozšířila jeho použití v polymerních kompozitech a povlacích, které mu propůjčují "neomezené" schopnosti pro řadu účelů tepelného řízení. Vzhledem k tomu bylo zaznamenáno použití polymerních kompozitů na bázi grafenu v řadě aplikací, včetně materiálů tepelných rozhraní a chladičů, rozvaděčů tepla, tepelných maziv, chladicích kapalin atd^[3].

Většina současných metod výroby grafenu zatím není škálovatelná na množství large, a proto se v poslední době stalo jedním z nejefektivnějších, levných a škálovatelných přístupů pro praktické tepelné aplikace použití nanomateriálů s několika vrstvami grafenu (FLG)^[4,5]. FLG si zachovává vynikající vlastnosti vedení tepla a zároveň nabízí větší plochu průřezu pro tepelný tok a může usnadnit tvorbu propojené sítě FLG plniv v polymerní matrici, což zvyšuje tepelný výkon kompozitů^[6]

K vedení tepla dochází na molekulární úrovni, kdy tepelná energie absorbovaná povrchem způsobuje mikroskopické srážky částic a předává energii jejich sousedním částicím, přičemž tento proces bude probíhat tak dlouho, dokud bude teplo přiváděno. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita je nejdůležitějším termofyzikálním parametrem materiálu pro charakterizaci tepelných transportních vlastností materiálu. Technika laserového záblesku je nedestruktivní, bezkontaktní a přesná metoda, která je nejrozšířenější pro stanovení tepelných vlastností materiálů při zvýšených teplotách.

Jak se spojuje měření a modelování

Náš nedávný článek v časopise Industrial & Engineering Chemistry Research popisuje použití přístroje NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® při zkoumání tepelných difuzních vlastností grafenových nanodestiček (GnP) modifikovaných epoxidovými polymerními nanokompozity. GnP mají průměrný průměr částic přibližně 25 µm a obsahují přibližně 18-24 grafenových vrstev. Vysoká rychlost sběru dat tohoto zařízení 2 MHz umožňuje spolehlivá a přesná měření vysoce vodivých a/nebo tenkých materiálů. Odlité nanokompozity byly rozřezány na vzorky čtvercového tvaru o délce strany 10 mm. Jejich Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita byla měřena mezi pokojovou teplotou a 150 °C během zahřívání a ochlazování. Pomocí teorie efektivní medium ^[7] byl také vyvinut jednoduchý analytický model, který zahrnuje jak Kapitzův odpor (známý také jako mezifázový tepelný odpor nebo tepelný hraniční odpor), tak Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.kontaktní odpor grafen-grafen pro výpočet efektivní tepelné vodivosti nanokompozitů.

Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost každého vzorku pak byla vypočtena jako součin hustoty, tepelné difuzivity a měrného tepla materiálu. Na obr. 1 (a-b) jsou znázorněny hodnoty tepelné vodivosti takto připravených vzorků GnP-epoxidu v závislosti na teplotě pro nanokompozity s různým zatížením GnP (xGnP M-25 a M-5, zkráceně dále jen GnP25 a GnP5) (0,5 - 5,0 % hm.).

Proč záleží na velikosti a zatížení

Hodnoty tepelné vodivosti se zvyšovaly s rostoucím zatížením GnP i velikostí částic, přičemž nanokompozity nedosahovaly viditelného prahu tepelné perkolace. Nový model efektivní tepelné vodivosti byl následně ověřen experimentálními výsledky pro náhodně orientované dvoufázové heterogenní nanokompozity GnP-epoxy. Tabulka 1 obsahuje vstupní parametry vložené do vytvořených modelů tepelné vodivosti, následuje korelace experimentálních dat s vytvořenými teoretickými tepelnými modely znázorněnými na obrázku 2 (a-b) pro nanokompozity GnP-epoxy obsahující GnP25, resp.

U částic GnP25 i GnP5 je pozorován trvalý nárůst tepelné vodivosti se zvyšujícím se obsahem plniva. Kromě toho byla pozorována silná shoda mezi hodnotami předpovězenými modelem tepelné vodivosti a experimentálními daty pro oba typy kompozitů (viz obr. 2 (a-b)), přičemž vypočtené korelační koeficienty jsou ~0,98 a ~0,99 pro nanokompozity obsahující GnP5 a GnP25. Tento výsledek dokazuje, že ve studii zkonstruovaný model tepelné vodivosti může poskytnout dobrou předpověď tepelné vodivosti nanokompozitů GnP-epoxidů při různém zatížení GnP. Zvýšení efektivity škálovatelnosti výroby a rozšíření současných materiálových modelů by pomohlo při navrhování grafenových kompozitních struktur s předvídatelnými vlastnostmi a bezpečnými způsoby poruch, což by následně usnadnilo výrobu škálovatelných kompozitů s laminátovou strukturou pro řadu špičkových aplikací, jako je letecký a automobilový průmysl.

Tento výzkum přispěl ke spolupráci řízené DMTC, do níž se zapojila síť výzkumných a průmyslových partnerů z celé Austrálie. Další podrobnosti naleznete v článku: Odkaz na https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Odkazy

[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.