レーザーフラッシュ法を用いたグラフェン系熱インターフェース材料の開発

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

^sp2-ハイブリッド化炭素の2次元ハニカム結晶格子であるグラフェンは、ユニークな物理的・機械的特性を備えており、軽量でインテリジェントかつ堅牢なハイブリッド材料の開発において、学術的にも産業的にも高い関心を集めている。グラフェンは、その超強度と羽毛のような軽さとともに、優れた熱伝導性と電気伝導性を持ち、透明で非常に柔軟である。グラフェンの固有の熱伝導率は、主に横方向の寸法、結晶の質、欠陥の濃度に依存するが、2000～4000^Wm-1^K-1の範囲にあると報告されており、既知の材料の中でも最高レベルである^[1,2]。興味深いことに、グラフェンの熱伝導率は、材料内のグラフェン伝導経路の大きさの関数として、値が対数的に増加するように変化することも分かっている。この希少な特性により、ポリマー複合材料やコーティングへのグラフェンの利用が拡大し、さまざまな熱管理目的に対して「無制限」の能力が付与されるようになった。そのため、グラフェンをベースとするポリマー複合材料は、熱界面材料やヒートシンク、ヒートスプレッダー、熱伝導性グリース、冷却剤など、さまざまな用途への応用が報告されている^[3]。

現在のグラフェン製造法のほとんどは、large 量まで拡張することができないため、最近では、数層グラフェン（FLG）ナノ材料の使用が、実用的な熱応用のための最も効果的で低コストかつ拡張可能なアプローチの1つとなっている^[4,5]。FLGは、熱流束に対してより高い断面積を提供する一方で優れた熱伝導特性を保持しており、ポリマーマトリックス内でのFLGフィラーの相互結合ネットワークの形成を促進し、複合材料の熱性能を向上させることができる^[6]。

熱伝導は、熱エネルギーが表面に吸収され、粒子同士の微視的な衝突を引き起こし、そのエネルギーを隣接する粒子に伝達するときに分子レベルで発生します。熱拡散率は、材料の熱輸送特性を評価する上で最も重要な熱物性パラメータです。レーザーフラッシュ法は、非破壊、非接触、高精度の手法であり、高温における材料の熱性能を測定するために最も広く受け入れられている。

測定とモデリングはどのように組み合わされるか

Journal ofIndustrial & Engineering Chemistry Researchに掲載された当社の最新論文では、グラフェンナノプレートレット（GnP）修飾エポキシポリマーナノコンポジットの熱拡散率特性の調査におけるNETZSCH LFA 467HyperFlash^®^®の応用について概説している。GnP の平均粒径は約 25 µm で、約 18～24 層のグラフェンを含んでいる。この装置の2 MHzという高いデータ取得レートにより、導電性の高い材料や薄い材料の信頼性の高い正確な測定が可能になる。鋳造されたナノコンポジットは、一辺の長さが10 mmの正方形の試験片に切断された。その熱拡散率を、加熱中と冷却中の室温から150℃の間で測定した。また、有効熱伝導率（medium ）理論^[7]を用いて、カピッツァ抵抗（界面熱抵抗、熱境界抵抗とも呼ばれる）とグラフェン-グラフェン接触抵抗の両方を含む単純な解析モデルを開発し、ナノコンポジットの有効熱伝導率を算出した。

次に、密度、熱拡散率、比熱の積として各試料の熱伝導率を算出した。調製したままのGnP-エポキシ試料の温度の関数としての熱伝導率を、GnP（xGnP M-25およびM-5、以下それぞれGnP25およびGnP5と略す）の異なる添加量（0.5～5.0 wt.%）を含むナノコンポジットの図1（a-b）に示す。

温度と荷重を変化させたGnP-エポキシナノコンポジットの熱伝導率と熱拡散率を示すグラフ。 — 図1: GnP添加量の異なるエポキシとGnP-エポキシナノコンポジットの熱伝導率

サイズと積載量が重要な理由

熱伝導率は、GnPの担持量と粒子径が大きくなるにつれて向上することが示され、ナノコンポジットでは目に見える熱浸透閾値は得られなかった。次に、新しい実効熱伝導率モデルを、ランダム配向二相異種GnP-エポキシナノコンポジットの実験結果で検証した。表1は、作成された熱伝導率モデルに挿入された入力パラメータで構成され、続いて、GnP25とGnP5をそれぞれ含むGnP-エポキシナノコンポジットの図2（a-b）に描かれた、作成された理論熱モデルに対する実験データの相関が示されている。

NETZSCH 熱機械分析装置TMA 402は、材料試験用のデジタルインターフェースによる精密制御が特徴です。 — 表1：GnP-エポキシナノコンポジットの熱伝導率モデリング用入力パラメータ

GnP25およびGnP5ナノコンポジットの熱伝導率に関する理論熱モデルと実験データを比較した相関グラフ。 — 図2：(a)GnP25を含むナノコンポジットと(b)GnP5を含むナノコンポジットの理論熱モデルと実験データの相関グラフ。

熱伝導率は、GnP25粒子とGnP5粒子の両方で、フィラー充填量の増加とともに着実に増加することが観察された。さらに、熱伝導率モデルによる予測値と実験データとの間には、両タイプの複合材料で強い一致が観察され（図2（a-b）参照）、GnP5とGnP25を含むナノ複合材料では、それぞれ～0.98と～0.99の相関係数が計算された。この結果は、本研究で構築した熱伝導率モデルが、異なるGnP担持量におけるGnP-エポキシナノコンポジットの熱伝導率を適切に予測できることを証明している。製造スケーラビリティの効率化と現行の材料モデルの拡張は、予測可能な特性と安全な破壊モードを備えたグラフェン複合材構造の設計を支援し、ひいては航空宇宙産業や自動車産業などのさまざまなハイエンド用途向けのスケーラブルな積層構造複合材の製造を容易にする。

この研究は、オーストラリア全土の研究・産業パートナーのネットワークが関与するDMTC管理の共同研究に貢献した。詳細は記事を参照：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621 へのリンク

参考文献

[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.

[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.