Laser Flash -menetelmän käyttö kehitettyjen grafeenipohjaisten lämpörajapintojen materiaalien kehittämiseksi

Kirjoittajat: Azadeh Mirabedini, PhD ja Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Älykkäät materiaalit ja komposiitit -ryhmä, luonnontieteiden, insinööritieteiden ja teknologian tiedekunta, Swinburnen teknillinen yliopisto, Australia

Grafeenilla, ^{sp2-hybridisoidun} hiilen kaksiulotteisella hunajakennomaisella kideristikolla, on ainutlaatuisia fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia, ja se herättää suurta akateemista ja teollista kiinnostusta kevyiden, älykkäiden ja kestävien hybridimateriaalien kehittämisessä. Erittäin lujan ja höyhenenkevyen keveytensä ohella grafeeni hyötyy myös erinomaisesta lämmön- ja sähkönjohtavuudesta sekä on läpinäkyvä ja erittäin joustava. Grafeenin luontaisen lämmönjohtavuuden on raportoitu olevan 2000-4000 ^Wm-1K-1, lähinnä sen sivumittojen, kiteen laadun ja vikakonsentraation mukaan, mikä on yksi korkeimmista kaikista tunnetuista materiaaleista.^[1,2] Kiehtovaa on, että grafeenin lämmönjohtavuuden on myös havaittu olevan muutettavissa, sillä arvo kasvaa logaritmisesti grafeenin johtavien polkujen koon funktiona materiaalissa. Tämä harvinainen ominaisuus on laajentanut sen käyttöä polymeerikomposiiteissa ja pinnoitteissa, mikä antaa "rajattomat" ominaisuudet erilaisiin lämmönhallintatarkoituksiin. Tämän vuoksi grafeenipohjaisia polymeerikomposiitteja on raportoitu käytettäväksi useissa eri sovelluksissa, kuten lämpörajapintamateriaaleissa ja jäähdytyslevyissä, lämmönlevittimissä, lämpörasvoissa, jäähdytysnesteissä ja niin edelleen^[3].

Useimmat nykyiset grafeenin tuotantomenetelmät eivät vielä ole skaalautuvia large määriin, ja näin ollen muutaman kerroksen grafeenin (FLG) nanomateriaalien käytöstä on viime aikoina tullut yksi tehokkaimmista, edullisimmista ja skaalautuvimmista lähestymistavoista käytännön lämpösovelluksiin^[4,5].[4,5 ] FLG:llä on edelleen erinomaiset lämmönjohtavuusominaisuudet samalla kun se tarjoaa suuremman poikkipinta-alan lämpövirralle, ja se voi helpottaa FLG-täyteaineiden yhteenliitetyn verkon muodostumista polymeerimatriisin sisällä, mikä parantaa komposiittimateriaalien lämpökäyttäytymiskykyjä^[6]

Lämmönjohtuminen tapahtuu molekyylitasolla, kun lämpöenergia imeytyy pintaan ja aiheuttaa hiukkasten mikroskooppisia törmäyksiä ja siirtää energiaa naapurihiukkasiinsa, ja tämä prosessi jatkuu niin kauan kuin lämpöä lisätään. Lämpödiffuusiokyky on tärkein lämpöfysikaalinen materiaaliparametri materiaalin lämmönsiirto-ominaisuuksien kuvaamisessa. Laser Flash -tekniikka on rikkomukseton, kosketukseton ja tarkka menetelmä, joka on laajimmin hyväksytty materiaalien lämpökäyttäytymisen määrittämiseksi korkeissa lämpötiloissa.

Miten mittaaminen ja mallintaminen yhdistyvät

Industrial & Engineering Chemistry Research -lehdessä hiljattain julkaistussa artikkelissamme kuvataan NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® -laitteen soveltamista grafeeninanoplateleiden (GnP) ja modifioitujen epoksipolymeerin nanokomposiittien lämpödiffuusiokyvyn ominaisuuksien tutkimiseen. GnP:iden keskimääräinen hiukkasten halkaisija on noin 25 µm ja ne sisältävät noin 18-24 grafeenikerrosta. Tämän laitteen korkea, 2 MHz:n tiedonkeruunopeus mahdollistaa luotettavat ja tarkat mittaukset hyvin johtavista ja/tai ohuista materiaaleista. Valetut nanokomposiitit leikattiin neliön muotoisiksi näytteiksi, joiden sivun pituus oli 10 mm. Niiden lämpödiffuusiokyky mitattiin huoneenlämpötilan ja 150 °C:n välillä lämmityksen ja jäähdytyksen aikana. Käyttämällä tehokasta medium -teoriaa^[7] kehitettiin myös yksinkertainen analyyttinen malli, joka sisältää sekä Kapitzan vastuksen (tunnetaan myös nimellä rajapinnan lämpövastus tai lämpörajavastuksen) että grafeenin ja grafeenin välisen kosketuksen vastuksen nanokomposiittien tehokkaan lämmönjohtavuuden laskemiseksi.

Kunkin näytteen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus laskettiin sitten tiheyden, lämpödiffuusiokyvyn ja materiaalin ominaislämmön tulona. Valmistettujen GnP-epoksinäytteiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus lämpötilan funktiona on esitetty kuvassa 1 (a-b) nanokomposiiteille, jotka sisältävät eri GnP-pitoisuuksia (xGnP M-25 ja M-5, jäljempänä lyhenteet GnP25 ja GnP5) (0,5-5,0 painoprosenttia).

Miksi koolla ja kuormituksella on merkitystä

Lämmönjohtavuusarvot paranivat GnP:n kuormituksen ja hiukkaskoon kasvaessa, kun nanokomposiitit eivät saavuttaneet näkyvää lämpöperkolaatiokynnystä. Uusi tehokas lämmönjohtavuusmalli validoitiin sitten kokeellisten tulosten avulla satunnaisesti suuntautuneille kaksivaiheisille heterogeenisille GnP-epoksi-nanokomposiiteille. Taulukossa 1 esitetään luotuihin lämmönjohtavuusmalleihin lisätyt syöttöparametrit, minkä jälkeen kokeelliset tiedot ja luodut teoreettiset lämpömallit korreloivat kuvassa 2 (a-b) esitettyjen GnP25- ja GnP5-nanokomposiittien osalta.

Sekä GnP25- että GnP5-hiukkasten LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus kasvaa tasaisesti täyteainepitoisuuden kasvaessa. Lisäksi lämmönjohtavuusmallin ennustamien arvojen ja kokeellisten tietojen välillä havaittiin vahva vastaavuus molempien komposiittityyppien osalta (ks. kuva 2 (a-b)), ja lasketut korrelaatiokertoimet olivat ~0,98 ja ~0,99 GnP5:tä ja GnP25:tä sisältäville nanokomposiiteille. Tämä tulos osoittaa, että tutkimuksessa rakennetulla lämmönjohtavuusmallilla voidaan ennustaa hyvin GnP-epoksi-nanokomposiittien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus eri GnP-pitoisuuksilla. Valmistuksen skaalautuvuuden tehokkuuden lisääminen ja nykyisten materiaalimallien laajentaminen auttaisivat suunnittelemaan grafeenikomposiittirakenteita, joilla on ennustettavat ominaisuudet ja turvalliset vikaantumistavat, mikä puolestaan helpottaisi skaalautuvien laminaattirakenteisten komposiittien valmistusta erilaisiin huippuluokan sovelluksiin, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuuteen ja autoteollisuuteen.

Tämä tutkimus oli osa DMTC:n hallinnoimaa yhteistyötä, johon osallistui tutkimus- ja teollisuuskumppanien verkosto eri puolilla Australiaa. Lisätietoja on artikkelissa: Linkki osoitteeseen https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Viitteet

[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, 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.