Het gebruik van de laserflitsmethode voor de ontwikkeling van thermische interfacematerialen op basis van grafeen

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

Met zijn unieke fysische en mechanische eigenschappen staat grafeen, het tweedimensionale honingraatkristalrooster van ^{sp2-gehybridiseerde} koolstof, in hoog academisch en industrieel aanzien voor de ontwikkeling van lichtgewicht, intelligente en robuuste hybride materialen. Behalve supersterk en vederlicht, heeft grafeen ook een uitstekende warmte- en elektrische geleiding en is het transparant en zeer flexibel. De intrinsieke Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van grafeen ligt naar verluidt tussen 2000-4000 ^Wm-1K-1, voornamelijk afhankelijk van de laterale afmetingen, kristalkwaliteit en defectconcentratie, en behoort tot de hoogste van alle bekende materialen.^[1,2] Fascinerend genoeg blijkt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van grafeen ook veranderlijk te zijn, waarbij de waarde logaritmisch toeneemt als functie van de grootte van de grafeengeleidende paden binnen een materiaal. Deze schaarse eigenschap heeft het gebruik ervan in polymeercomposieten en coatings uitgebreid om 'onbeperkte' mogelijkheden te bieden voor een reeks van thermische beheersdoeleinden. Daarom zijn op grafeen gebaseerde polymeercomposieten gemeld voor gebruik in een reeks toepassingen, waaronder thermische interfacematerialen en koellichamen, warmtespreiders, thermische vetten, koelmiddelen, enzovoort.^[3].

De meeste huidige productiemethoden voor grafeen zijn nog niet schaalbaar tot large hoeveelheden, en daarom is het gebruik van nanomaterialen met weinig lagen grafeen (FLG) onlangs een van de meest effectieve, goedkope en schaalbare benaderingen voor praktische thermische toepassingen geworden.^[4,5] FLG behoudt uitstekende warmtegeleidingseigenschappen terwijl het een groter doorsnedegebied voor de warmtestroom biedt en de vorming van het onderling verbonden netwerk van FLG-vullers binnen de polymeermatrix kan vergemakkelijken, waardoor de thermische prestaties van de composieten verbeteren.^[6]

Warmtegeleiding vindt plaats op moleculair niveau wanneer warmte-energie wordt geabsorbeerd door een oppervlak en microscopische botsingen van deeltjes veroorzaakt en de energie overdraagt aan hun naburige deeltjes, een proces dat doorgaat zolang er warmte wordt toegevoegd. Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.Thermische diffusie is de belangrijkste thermofysische materiaalparameter voor het karakteriseren van de thermische transporteigenschappen van een materiaal. De Laser Flash techniek is een niet-destructieve, contactloze en nauwkeurige methode die het meest geaccepteerd is voor het bepalen van de thermische prestaties van materialen bij verhoogde temperaturen.

Hoe meten en modelleren samenkomen

In ons recente artikel in het tijdschrift Industrial & Engineering Chemistry Research beschrijven we de toepassing van de NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® in het onderzoek naar Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie-eigenschappen van grafeennanoplatelets (GnP) - gemodificeerde epoxymeer nanocomposieten. GnP's hebben een gemiddelde deeltjesdiameter van ongeveer 25 µm en bevatten ongeveer 18-24 grafeenlagen. De hoge gegevensverzamelsnelheid van dit apparaat van 2 MHz maakt betrouwbare en nauwkeurige metingen van hooggeleidende en/of dunne materialen mogelijk. Gegoten nanocomposieten werden gesneden in vierkante preparaten met een zijlengte van 10 mm. Hun Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie werd gemeten tussen kamertemperatuur en 150°C tijdens het opwarmen en afkoelen. Met behulp van de effectieve medium theorie,^[7] werd ook een eenvoudig analytisch model ontwikkeld dat zowel de Kapitza-weerstand (ook bekend als interfaciale thermische weerstand of thermische grensweerstand) als de grafeen-grapheen ContactweerstandVolgens de tweede wet van de thermodynamica beweegt de warmteoverdracht tussen twee systemen altijd in de richting van hogere naar lagere temperaturen. De hoeveelheid thermische energie die wordt overgedragen door warmtegeleiding, bijvoorbeeld door een muur van een gebouw, wordt beïnvloed door de thermische weerstand van de betonnen muur en de isolatielaag.contactweerstand omvat om de effectieve Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van nanocomposieten te berekenen.

De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van elk proefstuk werd vervolgens berekend als het product van DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en specifieke warmte van het materiaal. De warmtegeleidingscoëfficiënt van geprepareerde GnP-epoxymonsters als functie van de temperatuur wordt getoond in figuur 1 (a-b) voor nanocomposieten met verschillende GnP-belastingen (xGnP M-25 en M-5 hierna respectievelijk afgekort tot GnP25 en GnP5) (0,5 - 5,0 wt.%).

Waarom grootte en belading belangrijk zijn

De warmtegeleidingswaarden bleken te verbeteren met een toename van de GnP-belading en de deeltjesgrootte, waarbij nanocomposieten geen zichtbare thermische percolatiedrempel vertoonden. Het nieuwe effectieve warmtegeleidingsmodel werd vervolgens gevalideerd met experimentele resultaten voor willekeurig georiënteerde twee-fase heterogene GnP-epoxy nanocomposieten. Tabel 1 bevat de invoerparameters die zijn ingevoegd in de gecreëerde modellen voor Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, gevolgd door een correlatie van de experimentele gegevens met gecreëerde theoretische thermische modellen, weergegeven in figuur 2 (a-b) voor GnP-epoxy nanocomposieten die respectievelijk GnP25 en GnP5 bevatten.

Voor zowel de GnP25 als de GnP5 deeltjes wordt een gestage toename in warmtegeleiding waargenomen met een toename van de vulstofbelasting. Bovendien werd een sterke overeenkomst waargenomen tussen de voorspelde waarden door het warmtegeleidingsmodel en experimentele gegevens voor beide soorten composieten (zie figuur 2 (a-b)), met berekende correlatiecoëfficiënten van ~0,98 en ~0,99 voor nanocomposieten met respectievelijk GnP5 en GnP25. Dit resultaat bewijst dat het geconstrueerde thermische geleidbaarheidsmodel in het onderzoek een goede voorspelling kan geven van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van GnP-epoxy nanocomposieten bij verschillende GnP-beladingen. Het verhogen van de efficiëntie van de schaalbaarheid van de productie en het uitbreiden van de huidige materiaalmodellen zou helpen bij het ontwerpen van grafeencomposietstructuren met voorspelbare eigenschappen en veilige faalwijzen, die op hun beurt de productie van schaalbare composieten met laminaatstructuur vergemakkelijken voor een reeks hoogwaardige toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie.

Dit onderzoek droeg bij aan een door DMTC beheerde samenwerking met een netwerk van onderzoeks- en industriepartners in heel Australië. Meer details zijn te vinden in het artikel: Link naar https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referenties

[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.