Penggunaan Metode Laser Flash untuk Mengembangkan Material Antarmuka Termal Berbasis Graphene yang Direkayasa

Penulis: Azadeh Mirabedini, PhD dan Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Kelompok Material dan Komposit Cerdas, Fakultas Sains, Teknik dan Teknologi, Universitas Teknologi Swinburne, Australia

Dengan serangkaian sifat fisik dan mekanik yang unik, graphene, kisi kristal sarang lebah dua dimensi dari karbon terhibridisasi ^sp2, menarik minat akademis dan industri untuk mengembangkan bahan hibrida yang ringan, cerdas, dan kuat. Seiring dengan kekuatan super dan bobotnya yang ringan, graphene juga memiliki konduktivitas panas dan listrik yang sangat baik serta transparan dan sangat fleksibel. Konduktivitas termal intrinsik graphene dilaporkan berada pada kisaran 2000-4000 ^Wm-1K-1, terutama bergantung pada dimensi lateral, kualitas kristal, dan konsentrasi cacatnya, yang merupakan salah satu yang tertinggi di antara material yang dikenal.^[1,2] Menariknya, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal graphene juga ditemukan dapat diubah dengan nilai yang meningkat secara logaritmik sebagai fungsi dari ukuran jalur penghantaran graphene di dalam suatu material. Sifat yang langka ini telah memperluas penggunaannya dalam komposit polimer dan pelapis untuk memberikan kemampuan 'tak terbatas' untuk berbagai tujuan manajemen termal. Mengingat hal tersebut, komposit polimer berbasis graphene telah dilaporkan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk bahan antarmuka termal dan heat sink, penyebar panas, pelumas termal, pendingin, dan sebagainya.

Sebagian besar metode produksi graphene saat ini belum dapat diskalakan ke jumlah large, dan dengan demikian, penggunaan nanomaterial graphene berlapis sedikit (FLG) baru-baru ini menjadi salah satu pendekatan yang paling efektif, murah, dan dapat diskalakan untuk aplikasi termal praktis.^[4,5] FLG mempertahankan sifat konduksi panas yang sangat baik sambil menawarkan luas penampang yang lebih tinggi untuk fluks panas dan dapat memfasilitasi pembentukan jaringan pengisi FLG yang saling berhubungan dalam matriks polimer, meningkatkan kinerja termal komposit.^[6]

Konduksi panas terjadi pada tingkat molekuler ketika energi panas diserap oleh permukaan dan menyebabkan tabrakan mikroskopis partikel dan mentransfer energi ke partikel tetangganya, sebuah proses yang akan terus berlangsung selama panas ditambahkan. Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal adalah parameter material termofisika yang paling penting untuk mengkarakterisasi sifat transpor termal suatu material. Teknik Laser Flash adalah metode yang tidak merusak, tanpa kontak, dan tepat, yang paling banyak diterima untuk menentukan kinerja termal bahan pada suhu tinggi.

Bagaimana pengukuran dan pemodelan menjadi satu

Artikel terbaru kami di jurnal Industrial & Engineering Chemistry Research menguraikan penerapan NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® dalam investigasi sifat Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dari nanoplatelet graphene (GnP) yang dimodifikasi dengan nanokomposit polimer epoksi. GnP memiliki diameter partikel rata-rata sekitar 25 µm dan mengandung sekitar 18-24 lapisan graphene. Laju akuisisi data yang tinggi dari perangkat ini sebesar 2 MHz memungkinkan pengukuran yang andal dan akurat untuk bahan konduktif dan/atau tipis yang tinggi. Nanokomposit yang dicor dipotong menjadi spesimen berbentuk persegi dengan panjang sisi 10 mm. Difusivitas termalnya diukur antara suhu kamar dan 150°C selama pemanasan dan pendinginan. Dengan menggunakan teori medium yang efektif,^[7] model analitis sederhana juga dikembangkan yang mencakup hambatan Kapitza (juga dikenal sebagai hambatan termal antarmuka, atau hambatan batas termal), dan hambatan kontak graphene-graphene untuk menghitung Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal nanokomposit yang efektif.

Konduktivitas termal setiap spesimen kemudian dihitung sebagai produk dari KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal, dan panas spesifik material. Konduktivitas termal sampel GnP-epoksi yang telah disiapkan sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar 1 (a-b) untuk nanokomposit yang mengandung muatan GnP yang berbeda (xGnP M-25 dan M-5 disingkat GnP25 dan GnP5) (0,5-5,0%).

Mengapa ukuran dan pemuatan penting

Nilai Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal terbukti meningkat dengan peningkatan pemuatan GnP serta ukuran partikel, di mana nanokomposit tidak memberikan ambang batas perkolasi termal yang terlihat. Model Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal efektif yang baru kemudian divalidasi dengan hasil eksperimen untuk nanokomposit GnP-epoksi heterogen dua fase yang berorientasi acak. Tabel 1 terdiri dari parameter input yang dimasukkan ke dalam model Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang dibuat, diikuti dengan korelasi data eksperimen dengan model termal teoritis yang dibuat yang digambarkan pada Gambar 2 (a-b) untuk nanokomposit GnP-epoksi yang mengandung GnP25 dan GnP5.

Peningkatan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang stabil dengan peningkatan pemuatan filler diamati untuk partikel GnP25 dan GnP5. Selain itu, kesepakatan yang kuat diamati antara nilai prediksi oleh model Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dan data eksperimental untuk kedua jenis komposit (lihat Gambar 2 (a-b)), dengan koefisien korelasi yang dihitung sebesar ~ 0,98 dan ~ 0,99 untuk nanokomposit yang mengandung GnP5 dan GnP25. Hasil ini membuktikan bahwa model Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang dibangun dalam penelitian ini dapat memberikan prediksi yang baik untuk Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal nanokomposit GnP-epoksi pada beban GnP yang berbeda. Meningkatkan efisiensi skalabilitas manufaktur dan memperluas model material saat ini akan membantu merancang struktur komposit graphene dengan sifat yang dapat diprediksi dan mode kegagalan yang aman, yang pada gilirannya memfasilitasi pembuatan komposit berstruktur laminasi yang dapat diskalakan untuk berbagai aplikasi kelas atas seperti industri kedirgantaraan dan otomotif.

Penelitian ini berkontribusi pada kolaborasi yang dikelola DMTC yang melibatkan jaringan mitra penelitian dan industri di seluruh Australia. Informasi lebih lanjut dapat ditemukan di artikel: Tautan ke https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referensi

[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.