Brug af laserblitzmetoden til udvikling af konstruerede grafenbaserede termiske grænsefladematerialer

Forfattere: Azadeh Mirabedini, ph.d. og Nishar Hameed, MPhil, ph.d. CChem, Smart Materials and Composites Group, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Australien

Med et unikt sæt fysiske og mekaniske egenskaber er grafen, det todimensionelle honeycomb-krystalgitter af ^{sp2-hybridiseret} kulstof, genstand for intens akademisk og industriel interesse i udviklingen af lette, intelligente og robuste hybridmaterialer. Sammen med sin superstyrke og fjerlette vægt har grafen også en fremragende varme- og Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.elektrisk ledningsevne og er gennemsigtig og meget fleksibel. Den iboende Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne for grafen rapporteres at ligge i området 2000-4000 ^Wm-1K-1, hovedsageligt afhængigt af sidedimensioner, krystalkvalitet og defektkoncentration, hvilket er blandt de højeste af alle kendte materialer.^[1,2] Fascinerende nok viser det sig også, at grafens Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne kan ændres, idet værdien stiger logaritmisk som en funktion af størrelsen af grafens ledende baner i et materiale. Denne sjældne egenskab har udvidet brugen af grafen i polymerkompositter og belægninger for at give "ubegrænsede" muligheder for en række varmestyringsformål. Derfor er grafenbaserede polymerkompositter blevet rapporteret til brug i en række anvendelser, herunder termiske grænsefladematerialer og kølelegemer, varmespredere, termiske fedtstoffer, kølemidler m.m.^[3].

De fleste nuværende grafenproduktionsmetoder er endnu ikke skalerbare til large mængder, og derfor er brugen af nanomaterialer med få lag grafen (FLG) for nylig blevet en af de mest effektive, billige og skalerbare tilgange til praktiske termiske anvendelser.^[4,5] FLG bevarer fremragende varmeledningsegenskaber, samtidig med at det giver et større tværsnitsareal for varmefluxen og kan lette dannelsen af det indbyrdes forbundne netværk af FLG-fyldstoffer i polymermatrixen, hvilket forbedrer kompositternes termiske ydeevne.^[6]

Varmeledning sker på molekylært niveau, når varmeenergi absorberes af en overflade og forårsager mikroskopiske kollisioner mellem partikler og overfører energien til deres nabopartikler, en proces, der vil fortsætte, så længe der tilføres varme. Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.Termisk diffusivitet er den vigtigste termofysiske materialeparameter til karakterisering af et materiales termiske transportegenskaber. Laser Flash-teknikken er en ikke-destruktiv, kontaktløs og præcis metode, som er den mest accepterede til bestemmelse af materialers termiske ydeevne ved høje temperaturer.

Hvordan måling og modellering hænger sammen

Vores seneste artikel i tidsskriftet Industrial & Engineering Chemistry Research beskriver anvendelsen af NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® i undersøgelsen af termiske diffusionsegenskaber for grafen-nanoplatelets (GnP)-modificerede epoxypolymer-nanokompositter. GnP'er har en gennemsnitlig partikeldiameter på ca. 25 µm og indeholder omkring 18-24 grafenlag. Denne enheds høje dataindsamlingshastighed på 2 MHz giver mulighed for pålidelige og nøjagtige målinger af højledende og/eller tynde materialer. Støbte nanokompositter blev skåret i firkantede prøver med en sidelængde på 10 mm. Deres termiske diffusivitet blev målt mellem stuetemperatur og 150 °C under opvarmningen og afkølingen. Ved hjælp af den effektive medium -teori^[7] blev der også udviklet en simpel analytisk model, der omfatter både Kapitza-modstanden (også kendt som termisk grænseflademodstand eller termisk grænseflademodstand) og grafen-grafen-kontaktmodstanden for at beregne den effektive Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne for nanokompositter.

Hver prøves Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne blev derefter beregnet som produktet af densitet, varmediffusivitet og materialets specifikke varme. Varmeledningsevnen for de forberedte GnP-epoxyprøver som funktion af temperaturen er vist i figur 1 (a-b) for nanokompositter, der indeholder forskellige mængder GnP (xGnP M-25 og M-5, forkortet henholdsvis GnP25 og GnP5) (0,5 - 5,0 vægt%).

Hvorfor størrelse og belastning er vigtig

Varmeledningsevneværdierne viste sig at blive forbedret med en stigning i GnP-belastningen samt partikelstørrelsen, hvor nanokompositter ikke leverede en synlig termisk perkolationstærskel. Den nye effektive varmeledningsmodel blev derefter valideret med eksperimentelle resultater for tilfældigt orienterede tofasede heterogene GnP-epoxy-nanokompositter. Tabel 1 omfatter de inputparametre, der er indsat i de oprettede modeller for Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, efterfulgt af en korrelation af de eksperimentelle data med oprettede teoretiske termiske modeller vist i figur 2 (a-b) for GnP-epoxy-nanokompositter, der indeholder henholdsvis GnP25 og GnP5.

En stabil stigning i Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne med en øget fyldstofbelastning observeres for både GnP25- og GnP5-partiklerne. Derudover blev der observeret en stærk overensstemmelse mellem de forudsagte værdier af varmeledningsmodellen og eksperimentelle data for begge typer kompositter (se figur 2 (a-b)) med beregnede korrelationskoefficienter på ~0,98 og ~0,99 for nanokompositter, der indeholder henholdsvis GnP5 og GnP25. Dette resultat viser, at den konstruerede model for Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i undersøgelsen kan give en god forudsigelse af varmeledningsevnen for GnP-epoxy-nanokompositter ved forskellige GnP-belastninger. Ved at øge effektiviteten i fremstillingen af skalerbarhed og udvide de nuværende materialemodeller kan man hjælpe med at designe grafenkompositstrukturer med forudsigelige egenskaber og sikre fejltilstande, hvilket igen letter fremstillingen af skalerbare laminatstrukturerede kompositter til en række avancerede anvendelser som f.eks. luft- og rumfartsindustrien og bilindustrien.

Denne forskning bidrog til et DMTC-administreret samarbejde, der involverede et netværk af forsknings- og industripartnere i hele Australien. Flere detaljer kan findes i artiklen: Link til https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referencer

[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.