L'uso del metodo laser flash per lo sviluppo di materiali per interfacce termiche a base di grafene ingegnerizzato

Autori: Azadeh Mirabedini, PhD e Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Smart Materials and Composites Group, Facoltà di Scienze, Ingegneria e Tecnologia, Swinburne University of Technology, Australia

Con un insieme unico di proprietà fisiche e meccaniche, il grafene, il reticolo cristallino bidimensionale a nido d'ape del carbonio ^sp2-ibridato, suscita un intenso interesse accademico e industriale per lo sviluppo di materiali ibridi leggeri, intelligenti e robusti. Oltre alla sua super resistenza e leggerezza, il grafene beneficia anche di un'eccellente Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica ed elettrica ed è trasparente e altamente flessibile. La conducibilità termica intrinseca del grafene, che dipende principalmente dalle sue dimensioni laterali, dalla qualità del cristallo e dalla concentrazione di difetti, è tra le più elevate di qualsiasi altro materiale conosciuto.^[1,2] È interessante notare che la conducibilità termica del grafene è anche alterabile: il valore aumenta logaritmicamente in funzione delle dimensioni delle vie di conduzione del grafene all'interno del materiale.arcQuesta proprietà ha ampliato l'uso del grafene nei compositi e nei rivestimenti polimerici, conferendogli capacità "illimitate" per una serie di scopi di gestione termica. Per questo motivo, i compositi polimerici a base di grafene sono stati segnalati per l'uso in una serie di applicazioni, tra cui materiali per interfacce termiche e dissipatori di calore, diffusori di calore, grassi termici, refrigeranti e così via.^[3]

La maggior parte degli attuali metodi di produzione del grafene non sono ancora scalabili a large quantità e quindi l'uso di nanomateriali di grafene a pochi strati (FLG) è diventato di recente uno degli approcci più efficaci, a basso costo e scalabili per le applicazioni termiche pratiche.^[4,5] L'FLG mantiene eccellenti proprietà di conduzione del calore, offrendo al contempo un'area di sezione trasversale più elevata per il flusso di calore e può facilitare la formazione della rete interconnessa di riempitivi FLG all'interno della matrice polimerica, migliorando le prestazioni termiche dei compositi.^[6]

La conduzione del calore avviene a livello molecolare, quando l'energia termica viene assorbita da una superficie e provoca collisioni microscopiche tra le particelle, trasferendo l'energia alle particelle vicine. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è il parametro termofisico più importante per caratterizzare le proprietà di trasporto termico di un materiale. La tecnica del flash laser è un metodo non distruttivo, senza contatto e preciso, che è il più accettato per determinare le prestazioni termiche dei materiali a temperature elevate.

Come si combinano misurazione e modellazione

Il nostro recente articolo pubblicato sulla rivista Industrial & Engineering Chemistry Researc h illustra l'applicazione del sistema NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® nell'indagine delle proprietà di Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di nanopiastrine di grafene (GnP) modificate in nanocompositi di polimeri epossidici. Le GnP hanno un diametro medio delle particelle di circa 25 µm e contengono circa 18-24 strati di grafene. L'elevata velocità di acquisizione dei dati di questo dispositivo, pari a 2 MHz, consente misure affidabili e accurate di materiali altamente conduttivi e/o sottili. I nanocompositi fusi sono stati tagliati in campioni di forma quadrata con un lato di 10 mm. La loro Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è stata misurata tra la temperatura ambiente e 150°C durante il riscaldamento e il raffreddamento. Utilizzando la teoria del medium effettivo,^[7] è stato sviluppato un semplice modello analitico che include sia la resistenza di Kapitza (nota anche come resistenza termica interfacciale o resistenza termica al contorno), sia la Resistenza di contattoSecondo la seconda legge della termodinamica, il trasferimento di calore tra due sistemi si muove sempre nella direzione da temperature più alte a temperature più basse. La quantità di energia termica trasferita per conduzione termica, ad esempio attraverso una parete di un edificio, è influenzata dalle resistenze termiche della parete in calcestruzzo e dello strato isolante.resistenza di contatto grafene-grafene per calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva dei nanocompositi.

La conducibilità termica di ciascun campione è stata quindi calcolata come prodotto di densità, Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e calore specifico del materiale. La conducibilità termica dei campioni GnP-epossidici preparati in funzione della temperatura è mostrata nella Figura 1 (a-b) per i nanocompositi contenenti diversi carichi di GnP (xGnP M-25 e M-5, abbreviati rispettivamente in GnP25 e GnP5) (0,5 - 5,0% in peso).

Perché le dimensioni e il carico sono importanti

I valori di conducibilità termica sono aumentati con l'aumento del carico di GnP e delle dimensioni delle particelle, mentre i nanocompositi non hanno raggiunto una soglia di percolazione termica visibile. Il nuovo modello di conducibilità termica effettiva è stato poi convalidato con risultati sperimentali per nanocompositi eterogenei bifase GnP-epoxy orientati in modo casuale. La Tabella 1 comprende i parametri di input inseriti nei modelli di conducibilità termica creati, seguiti da una correlazione dei dati sperimentali con i modelli termici teorici creati, illustrati nella Figura 2 (a-b) per i nanocompositi GnP-epoxy contenenti GnP25 e GnP5, rispettivamente.

Sia per le particelle GnP25 che per quelle GnP5 si osserva un aumento costante della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica all'aumentare del carico di riempitivo. Inoltre, è stato osservato un forte accordo tra i valori previsti dal modello di conducibilità termica e i dati sperimentali per entrambi i tipi di compositi (vedi Figura 2 (a-b)), con coefficienti di correlazione calcolati di ~0,98 e ~0,99 per i nanocompositi contenenti GnP5 e GnP25, rispettivamente. Questo risultato dimostra che il modello di conducibilità termica costruito nello studio può fornire una buona previsione della conducibilità termica dei nanocompositi GnP-epossidici a diversi carichi di GnP. Aumentare l'efficienza della scalabilità della produzione ed estendere gli attuali modelli di materiali aiuterebbe a progettare strutture composite al grafene con proprietà prevedibili e modalità di guasto sicure, che a loro volta facilitano la produzione di compositi a struttura laminata scalabili per una serie di applicazioni di fascia alta come l'industria aerospaziale e automobilistica.

Questa ricercaarch ha contribuito a una collaborazione gestita dal DMTC che coinvolge una rete di partner di ricercaarch e industriali in tutta l'Australia. Maggiori dettagli sono riportati nell'articolo: Link a https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Riferimenti

[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.