Η χρήση της μεθόδου Laser Flash για την ανάπτυξη υλικών θερμικών διεπιφανειών με βάση το γραφένιο

Συγγραφείς: Ομάδα Έξυπνων Υλικών και Σύνθετων Υλικών, Σχολή Θετικών Επιστημών, Μηχανικής και Τεχνολογίας, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne, Αυστραλία

Με ένα μοναδικό σύνολο φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων, το γραφένιο, το δισδιάστατο κυψελοειδές κρυσταλλικό πλέγμα του ^{sp2-υβριδισμένου} άνθρακα, παρουσιάζει έντονο ακαδημαϊκό και βιομηχανικό ενδιαφέρον για την ανάπτυξη ελαφρών, έξυπνων και ανθεκτικών υβριδικών υλικών. Μαζί με την υπερδύναμη και την ελαφράδα του, το γραφένιο επωφελείται επίσης από εξαιρετική θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και είναι διαφανές και εξαιρετικά εύκαμπτο. Η εγγενής θερμική αγωγιμότητα του γραφενίου αναφέρεται ότι είναι της τάξης των 2000-4000 ^Wm-1K-1, κυρίως ανάλογα με τις πλευρικές διαστάσεις, την ποιότητα του κρυστάλλου και τη συγκέντρωση ατελειών, η οποία είναι από τις υψηλότερες οποιουδήποτε γνωστού υλικού^[1,2 ]. Αυτή η ιδιότητα scarce έχει επεκτείνει τη χρήση του σε πολυμερή σύνθετα υλικά και επιστρώσεις για να προσδώσει "απεριόριστες" δυνατότητες για μια σειρά από σκοπούς θερμικής διαχείρισης. Δεδομένου αυτού, έχουν αναφερθεί σύνθετα πολυμερή με βάση το γραφένιο για χρήση σε μια σειρά εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων υλικών θερμικής διεπαφής και απορροφητήρων θερμότητας, διαχυτών θερμότητας, θερμικών γράσων, ψυκτικών υγρών κ.ο.κ.^[3].

Οι περισσότερες τρέχουσες μέθοδοι παραγωγής γραφενίου δεν είναι ακόμη κλιμακούμενες σε ποσότητες large και, συνεπώς, η χρήση νανοϋλικών γραφενίου λίγων στρώσεων (FLG) έχει γίνει πρόσφατα μία από τις πιο αποτελεσματικές, χαμηλού κόστους και κλιμακούμενες προσεγγίσεις για πρακτικές θερμικές εφαρμογές^[4,5].[4,5 ] Το FLG διατηρεί εξαιρετικές ιδιότητες αγωγής θερμότητας, ενώ προσφέρει μεγαλύτερη επιφάνεια διατομής για τη ροή θερμότητας και μπορεί να διευκολύνει το σχηματισμό του διασυνδεδεμένου δικτύου των πληρωτικών FLG εντός της πολυμερικής μήτρας, ενισχύοντας τη θερμική απόδοση των σύνθετων υλικών^[6]

Η αγωγή θερμότητας συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο όταν η θερμική ενέργεια απορροφάται από μια επιφάνεια και προκαλεί μικροσκοπικές συγκρούσεις των σωματιδίων και μεταφέρει την ενέργεια στα γειτονικά τους σωματίδια, μια διαδικασία που θα συνεχίζεται όσο προστίθεται θερμότητα. Η θερμική διάχυση είναι η σημαντικότερη θερμοφυσική παράμετρος υλικού για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων θερμικής μεταφοράς ενός υλικού. Η τεχνική Laser Flash είναι μια μη καταστροφική, ανέπαφη και ακριβής μέθοδος, η οποία είναι η πιο ευρέως αποδεκτή για τον προσδιορισμό της θερμικής απόδοσης των υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες.

Πώς συνδυάζονται η μέτρηση και η μοντελοποίηση

Το πρόσφατο άρθρο μας στο περιοδικό Industrial & Engineering Chemistry Researc h περιγράφει την εφαρμογή του NETZSCH LFA 467 HyperFlash^® ® στη διερεύνηση των ιδιοτήτων θερμικής διαχυτότητας νανοπλακιδίων γραφενίου (GnP) - τροποποιημένων εποξειδικών πολυμερών νανοσύνθετων υλικών. Τα GnPs έχουν μέση διάμετρο σωματιδίων περίπου 25 μm και περιέχουν περίπου 18-24 στρώματα γραφενίου. Ο υψηλός ρυθμός συλλογής δεδομένων αυτής της συσκευής των 2 MHz επιτρέπει αξιόπιστες και ακριβείς μετρήσεις υλικών με υψηλή αγωγιμότητα ή/και λεπτό πάχος. Τα χυτά νανοσύνθετα κόπηκαν σε τετραγωνικού σχήματος δοκίμια με μήκος πλευράς 10 mm. Η θερμική τους διαχυτότητα μετρήθηκε μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και 150°C κατά τη διάρκεια της θέρμανσης και της ψύξης. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία της αποτελεσματικής medium,^[7] αναπτύχθηκε επίσης ένα απλό αναλυτικό μοντέλο που περιλαμβάνει τόσο την αντίσταση Kapitza (επίσης γνωστή ως διεπιφανειακή θερμική αντίσταση ή αντίσταση θερμικού ορίου), όσο και την αντίσταση επαφής γραφενίου-γραφένιου για τον υπολογισμό της αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας των νανοσύνθετων υλικών.

Η θερμική αγωγιμότητα κάθε δείγματος υπολογίστηκε στη συνέχεια ως το γινόμενο της πυκνότητας, της θερμικής διαχυτικότητας και της ειδικής θερμότητας του υλικού. Η θερμική αγωγιμότητα των δοκιμίων GnP-εποξυ ως συνάρτηση της θερμοκρασίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 1 (α-β) για νανοσύνθετα που περιέχουν διαφορετικά φορτία GnP (xGnP M-25 και M-5 που στο εξής συντομογραφούνται GnP25 και GnP5, αντίστοιχα) (0,5 - 5,0 % κ.β.).

Γιατί το μέγεθος και η φόρτωση έχουν σημασία

Οι τιμές της θερμικής αγωγιμότητας έδειξαν να ενισχύονται με την αύξηση του φορτίου GnP καθώς και του μεγέθους των σωματιδίων, όπου τα νανοσύνθετα δεν παρουσίασαν ορατό κατώφλι θερμικής διήθησης. Στη συνέχεια, το νέο μοντέλο αποτελεσματικής θερμικής αγωγιμότητας επικυρώθηκε με πειραματικά αποτελέσματα για τυχαία προσανατολισμένα διφασικά ετερογενή νανοσύνθετα GnP-epoxy. Ο Πίνακας 1 περιλαμβάνει τις παραμέτρους εισόδου που εισάγονται στα μοντέλα θερμικής αγωγιμότητας που δημιουργήθηκαν, ακολουθούμενη από τη συσχέτιση των πειραματικών δεδομένων με τα δημιουργηθέντα θεωρητικά θερμικά μοντέλα που απεικονίζονται στο Σχήμα 2 (α-β) για τα νανοσύνθετα GnP-εποξυ που περιέχουν GnP25 και GnP5, αντίστοιχα.

Παρατηρείται σταθερή αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας με την αύξηση του φορτίου του πληρωτικού υλικού τόσο για τα σωματίδια GnP25 όσο και για τα σωματίδια GnP5. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ισχυρή συμφωνία μεταξύ των προβλεπόμενων τιμών από το μοντέλο θερμικής αγωγιμότητας και των πειραματικών δεδομένων και για τους δύο τύπους σύνθετων υλικών (βλ. Σχήμα 2 (α-β)), με υπολογισμένους συντελεστές συσχέτισης ~0,98 και ~0,99 για τα νανοσύνθετα υλικά που περιέχουν GnP5 και GnP25, αντίστοιχα. Το αποτέλεσμα αυτό αποδεικνύει ότι το μοντέλο θερμικής αγωγιμότητας που κατασκευάστηκε στη μελέτη μπορεί να παρέχει μια καλή πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας των νανοσύνθετων υλικών GnP-ηποξυ σε διαφορετικές φορτίσεις GnP. Η αύξηση της αποτελεσματικότητας της κλιμάκωσης της κατασκευής και η επέκταση των τρεχόντων μοντέλων υλικών θα βοηθούσε στο σχεδιασμό σύνθετων δομών γραφενίου με προβλέψιμες ιδιότητες και ασφαλείς τρόπους αστοχίας, οι οποίες με τη σειρά τους θα διευκόλυναν την κατασκευή κλιμακούμενων σύνθετων υλικών με δομή ελάσματος για μια σειρά εφαρμογών υψηλής τεχνολογίας, όπως η αεροδιαστημική και η αυτοκινητοβιομηχανία.

Η παρούσα έρευναarch συνέβαλε σε μια συνεργασία υπό τη διαχείριση του DMTC, στην οποία συμμετείχε ένα δίκτυο ερευνητώνarch και βιομηχανικών εταίρων σε όλη την Αυστραλία. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στο άρθρο: Σύνδεσμος προς https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Αναφορές

[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.