Utilización del método de flash láser para desarrollar materiales de ingeniería de interfaces térmicas basados en grafeno

Autores: Azadeh Mirabedini, PhD y Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Smart Materials and Composites Group, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Australia

Con un conjunto único de propiedades físicas y mecánicas, el grafeno, la red cristalina bidimensional en forma de panal del carbono hibridado ^sp2, suscita un gran interés académico e industrial para el desarrollo de materiales híbridos ligeros, inteligentes y robustos. Además de su superresistencia y ligereza, el grafeno posee una excelente Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y eléctrica, y es transparente y muy flexible. Según los informes, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica intrínseca del grafeno se sitúa entre 2000 y 4000 ^Wm-1K-1, dependiendo principalmente de sus dimensiones laterales, la calidad del cristal y la concentración de defectos, lo que la sitúa entre las más altas de todos los materiales conocidos^[1,2] Resulta fascinante que la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica del grafeno también sea modificable, ya que el valor aumenta logarítmicamente en función del tamaño de las vías conductoras del grafeno dentro de un material. Esta escasa propiedad ha ampliado su uso en compuestos y recubrimientos poliméricos para conferir capacidades "ilimitadas" a toda una serie de fines de gestión térmica. Así, se ha informado del uso de compuestos poliméricos a base de grafeno en diversas aplicaciones, como materiales de interfaz térmica y disipadores de calor, dispersores de calor, grasas térmicas, refrigerantes, etc.^[3].

La mayoría de los métodos actuales de producción de grafeno aún no son escalables a cantidades de large, por lo que el uso de nanomateriales de grafeno de pocas capas (FLG) se ha convertido recientemente en uno de los enfoques más eficaces, económicos y escalables para aplicaciones térmicas prácticas^[4,5]. El FLG conserva excelentes propiedades de conducción del calor al tiempo que ofrece una mayor área de sección transversal para el flujo de calor y puede facilitar la formación de la red interconectada de rellenos de FLG dentro de la matriz polimérica, mejorando el rendimiento térmico de los compuestos^[6]

La conducción del calor se produce a nivel molecular cuando la energía térmica es absorbida por una superficie y provoca colisiones microscópicas de partículas y transfiere la energía a sus partículas vecinas, un proceso que continuará mientras se esté añadiendo calor. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica es el parámetro termofísico más importante para caracterizar las propiedades de transporte térmico de un material. La técnica del destello láser es un método no destructivo, sin contacto y preciso, que es el más aceptado para determinar el comportamiento térmico de los materiales a temperaturas elevadas.

Cómo se combinan la medición y la modelización

Nuestro reciente artículo en la revista Industrial & Engineering Chemistry Research describe la aplicación del NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® en la investigación de las propiedades de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de nanocompuestos de polímeros epoxídicos modificados con nanoplaquetas de grafeno (GnP). Las GnP tienen un diámetro medio de partícula de aproximadamente 25 µm y contienen unas 18-24 capas de grafeno. La elevada velocidad de adquisición de datos de este dispositivo, de 2 MHz, permite realizar mediciones fiables y precisas de materiales muy conductores y/o delgados. Los nanocompuestos moldeados se cortaron en probetas de forma cuadrada con una longitud lateral de 10 mm. Se midió su Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica entre la temperatura ambiente y 150°C durante el calentamiento y el enfriamiento. Utilizando la teoría efectiva medium,^[7 ] también se desarrolló un modelo analítico sencillo que incluye tanto la resistencia Kapitza (también conocida como resistencia térmica interfacial, o resistencia térmica de frontera), como la Resistencia de contactoSegún la segunda ley de la termodinámica, la transferencia de calor entre dos sistemas siempre se mueve en la dirección de mayor a menor temperatura. La cantidad de energía térmica transferida por conducción de calor, por ejemplo, a través de un muro de un edificio, está influida por las resistencias térmicas del muro de hormigón y de la capa aislante.resistencia de contacto grafeno-grafeno para calcular la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica efectiva de los nanocomposites.

A continuación, se calculó la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de cada espécimen como el producto de la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y el calor específico del material. En la Figura 1 (a-b) se muestra la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de las muestras de GnP-epoxi preparadas en función de la temperatura para nanocomposites con diferentes cargas de GnP (xGnP M-25 y M-5, abreviados en lo sucesivo como GnP25 y GnP5, respectivamente) (0,5 - 5,0 % en peso).

Por qué importa el tamaño y la carga

Los valores de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica mostraron mejorar con el aumento de la carga de GnP, así como con el tamaño de partícula, donde los nanocomposites no presentaron un umbral de percolación térmica visible. A continuación, el nuevo modelo de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica efectiva se validó con resultados experimentales para nanocompuestos GnP-epoxi heterogéneos bifásicos orientados al azar. La Tabla 1 incluye los parámetros de entrada insertados en los modelos de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica creados, seguidos de una correlación de los datos experimentales con los modelos térmicos teóricos creados representados en la Figura 2 (a-b) para los nanocompuestos de GnP-epoxi que contienen GnP25 y GnP5, respectivamente.

Se observa un aumento constante de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica al aumentar la carga de relleno tanto para las partículas GnP25 como para las GnP5. Además, se observó una gran concordancia entre los valores predichos por el modelo de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y los datos experimentales para ambos tipos de composites (véase la Figura 2 (a-b)), con coeficientes de correlación calculados de ~0,98 y ~0,99 para los nanocomposites que contienen GnP5 y GnP25, respectivamente. Este resultado demuestra que el modelo de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica construido en el estudio puede proporcionar una buena predicción de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de los nanocompuestos de GnP-epoxi con diferentes cargas de GnP. El aumento de la eficiencia de la escalabilidad de fabricación y la ampliación de los modelos de materiales actuales ayudarían a diseñar estructuras de materiales compuestos de grafeno con propiedades predecibles y modos de fallo seguros, lo que a su vez facilitaría la fabricación de materiales compuestos de estructura laminar escalables para una serie de aplicaciones de gama alta, como las industrias aeroespacial y de automoción.

Esta investigación contribuyó a una colaboración gestionada por el DMTC en la que participó una red de socios investigadores e industriales de toda Australia. Más detalles en el artículo: Enlace a https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referencias

[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.