Utilisation de la méthode du flash laser pour le développement de matériaux d'interface thermique à base de graphène modifié

Auteurs : Azadeh Mirabedini, PhD et Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Smart Materials and Composites Group, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Australie

Doté d'un ensemble unique de propriétés physiques et mécaniques, le graphène, le réseau cristallin bidimensionnel en nid d'abeille du carbone ^hybridé sp2, suscite un vif intérêt académique et industriel pour le développement de matériaux hybrides légers, intelligents et robustes. Outre son extrême solidité et sa légèreté, le graphène bénéficie d'une excellente Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique et électrique et est transparent et très flexible. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique intrinsèque du graphène se situerait entre 2000 et 4000 ^Wm-1K-1, principalement en fonction de ses dimensions latérales, de la qualité du cristal et de la concentration des défauts, ce qui est l'une des plus élevées de tous les matériaux connus^[1,2]. Fait fascinant, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du graphène est également modifiable, la valeur augmentant de manière logarithmique en fonction de la taille des voies conductrices du graphène au sein d'un matériau. Cette propriété rare a élargi son utilisation dans les composites et les revêtements polymères afin de lui conférer des capacités "illimitées" pour toute une série d'objectifs de gestion thermique. Ainsi, des composites polymères à base de graphène ont été signalés pour une série d'applications, notamment des matériaux d'interface thermique et des dissipateurs de chaleur, des répartiteurs de chaleur, des graisses thermiques, des liquides de refroidissement, etc^[3].

La plupart des méthodes actuelles de production de graphène ne sont pas encore extensibles à large, et l'utilisation de nanomatériaux de graphène à quelques couches (FLG) est donc récemment devenue l'une des approches les plus efficaces, les plus économiques et les plus extensibles pour les applications thermiques pratiques^[4,5]. Le FLG conserve d'excellentes propriétés de conduction thermique tout en offrant une plus grande surface de section transversale pour le flux de chaleur et peut faciliter la formation d'un réseau interconnecté de charges FLG dans la matrice polymère, améliorant ainsi les performances thermiques des matériaux composites^[6]

La conduction thermique se produit au niveau moléculaire lorsque l'énergie thermique est absorbée par une surface et provoque des collisions microscopiques entre les particules et transfère l'énergie aux particules voisines, un processus qui se poursuit tant que de la chaleur est ajoutée. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique est le paramètre thermophysique le plus important pour caractériser les propriétés de transport thermique d'un matériau. La technique du flash laser est une méthode non destructive, sans contact et précise, qui est la plus largement acceptée pour déterminer la performance thermique des matériaux à des températures élevées.

Comment la mesure et la modélisation se rejoignent

Notre récent article dans le journal de Industrial & Engineering Chemistry Research décrit l'application du NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® dans l'étude des propriétés de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique des nanoplaquettes de graphène (GnP) modifiées par des nanocomposites à base de polymère époxy. Les GnP ont un diamètre moyen d'environ 25 µm et contiennent entre 18 et 24 couches de graphène. Le taux d'acquisition de données élevé de cet appareil (2 MHz) permet de réaliser des mesures fiables et précises sur des matériaux très conducteurs et/ou minces. Les nanocomposites coulés ont été découpés en éprouvettes carrées de 10 mm de côté. Leur Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a été mesurée entre la température ambiante et 150°C pendant le chauffage et le refroidissement. À l'aide de la théorie effective medium ^[7], un modèle analytique simple a également été développé qui inclut à la fois la résistance de Kapitza (également connue sous le nom de résistance thermique interfaciale ou de résistance thermique de frontière) et la Résistance des contactsSelon la deuxième loi de la thermodynamique, le transfert de chaleur entre deux systèmes se fait toujours dans le sens d'une température plus élevée vers une température plus basse. La quantité d'énergie thermique transférée par conduction thermique, par exemple à travers un mur d'un bâtiment, est influencée par les résistances thermiques du mur en béton et de la couche d'isolation. résistance de contact graphène-graphène pour calculer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective des nanocomposites.

La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de chaque échantillon a ensuite été calculée comme le produit de la densité, de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique et de la chaleur spécifique du matériau. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des échantillons GnP-époxy préparés en fonction de la température est illustrée à la figure 1 (a-b) pour les nanocomposites contenant différentes charges de GnP (xGnP M-25 et M-5, abrégés ci-après GnP25 et GnP5, respectivement) (0,5 - 5,0 % en poids).

L'importance de la taille et du chargement

Les valeurs de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique ont montré qu'elles augmentaient avec la charge de GnP et la taille des particules, alors que les nanocomposites ne présentaient pas de seuil de percolation thermique visible. Le nouveau modèle de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique effective a ensuite été validé avec des résultats expérimentaux pour des nanocomposites hétérogènes GnP-époxy à deux phases orientés de manière aléatoire. Le tableau 1 comprend les paramètres d'entrée insérés dans les modèles de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique créés, suivis d'une corrélation des données expérimentales avec les modèles thermiques théoriques créés décrits dans la figure 2 (a-b) pour les nanocomposites GnP-époxy contenant du GnP25 et du GnP5, respectivement.

Une augmentation régulière de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique avec une augmentation de la charge est observée pour les particules GnP25 et GnP5. En outre, une forte concordance a été observée entre les valeurs prédites par le modèle de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique et les données expérimentales pour les deux types de composites (voir Figure 2 (a-b)), avec des coefficients de corrélation calculés de ~0,98 et ~0,99 pour les nanocomposites contenant du GnP5 et du GnP25, respectivement. Ce résultat prouve que le modèle de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique construit dans l'étude peut fournir une bonne prédiction de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des nanocomposites GnP-époxy à différentes charges de GnP. L'amélioration de l'efficacité de l'évolutivité de la fabrication et l'extension des modèles de matériaux actuels aideraient à concevoir des structures composites à base de graphène avec des propriétés prévisibles et des modes de défaillance sûrs, ce qui faciliterait à son tour la fabrication de composites à structure stratifiée évolutifs pour une gamme d'applications haut de gamme telles que l'aérospatiale et l'industrie automobile.

Cette recherche a contribué à une collaboration gérée par le DMTC et impliquant un réseau de partenaires de la recherche et de l'industrie dans toute l'Australie. Pour plus de détails, voir l'article : Lien vers https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Références

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