O uso do método de flash a laser para o desenvolvimento de materiais de interface térmica baseados em grafeno projetado

Autores: Azadeh Mirabedini, PhD e Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Grupo de Materiais Inteligentes e Compósitos, Faculdade de Ciências, Engenharia e Tecnologia, Universidade de Tecnologia de Swinburne, Austrália

Com um conjunto exclusivo de propriedades físicas e mecânicas, o grafeno, a estrutura cristalina bidimensional em forma de favo de mel do carbono ^hibridizado com sp2, desperta intenso interesse acadêmico e industrial no desenvolvimento de materiais híbridos leves, inteligentes e robustos. Além de sua superforça e leveza, o grafeno também se beneficia da excelente Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e elétrica, além de ser transparente e altamente flexível. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica intrínseca do grafeno é relatada como estando na faixa de 2.000 a 4.000 ^Wm-1K-1, dependendo principalmente de suas dimensões laterais, da qualidade do cristal e da concentração de defeitos, o que está entre as mais altas de qualquer material conhecido.^[1,2] É fascinante notar que a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do grafeno também é alterável, com o valor aumentando logaritmicamente em função do tamanho dos caminhos condutores do grafeno em um material.arcEssa propriedade expandiu seu uso em compósitos e revestimentos de polímeros para conferir capacidades "ilimitadas" para uma série de finalidades de gerenciamento térmico. Assim, foi relatado o uso de compósitos de polímeros à base de grafeno em uma série de aplicações, inclusive materiais de interface térmica e dissipadores de calor, espalhadores de calor, graxas térmicas, refrigerantes, etc.^[3].

A maioria dos métodos atuais de produção de grafeno ainda não é escalável para quantidades de large e, portanto, o uso de nanomateriais de grafeno de poucas camadas (FLG) tornou-se recentemente uma das abordagens mais eficazes, de baixo custo e escaláveis para aplicações térmicas práticas.^[4,5] O FLG mantém excelentes propriedades de condução de calor, oferecendo uma área de seção transversal mais alta para o fluxo de calor e pode facilitar a formação da rede interconectada de cargas de FLG dentro da matriz de polímero, melhorando o desempenho térmico dos compósitos.^[6]

A condução de calor ocorre em nível molecular quando a energia térmica é absorvida por uma superfície e causa colisões microscópicas de partículas e transfere a energia para as partículas vizinhas, um processo que continuará enquanto o calor estiver sendo adicionado. A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica é o parâmetro de material termofísico mais importante para caracterizar as propriedades de transporte térmico de um material. A técnica de flash a laser é um método não destrutivo, sem contato e preciso, que é o mais amplamente aceito para determinar o desempenho térmico de materiais em temperaturas elevadas.

Como a medição e a modelagem se unem

Nosso recente artigo na revista Industrial & Engineering Chemistry Researc h descreve a aplicação do NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® na investigação das propriedades de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica dos nanocompósitos de polímero epóxi modificados com nanoplaquetas de grafeno (GnP). As GnPs têm um diâmetro médio de partícula de aproximadamente 25 µm e contêm cerca de 18 a 24 camadas de grafeno. A alta taxa de aquisição de dados desse dispositivo de 2 MHz permite medições confiáveis e precisas de materiais altamente condutores e/ou finos. Os nanocompósitos fundidos foram cortados em amostras quadradas com um comprimento lateral de 10 mm. Sua Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica foi medida entre a temperatura ambiente e 150°C durante o aquecimento e o resfriamento. Usando a teoria medium efetiva,^[7] também foi desenvolvido um modelo analítico simples que inclui a resistência Kapitza (também conhecida como resistência térmica interfacial ou resistência de limite térmico) e a Resistência de contatoDe acordo com a segunda lei da termodinâmica, a transferência de calor entre dois sistemas sempre se move na direção das temperaturas mais altas para as mais baixas. A quantidade de energia térmica transferida por condução de calor, por exemplo, através de uma parede de um edifício, é influenciada pelas resistências térmicas da parede de concreto e da camada de isolamento.resistência de contato grafeno-grafeno para calcular a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva dos nanocompósitos.

A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de cada amostra foi então calculada como o produto da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica e do calor específico do material. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica das amostras de GnP-epóxi preparadas como uma função da temperatura é mostrada na Figura 1 (a-b) para nanocompósitos contendo diferentes cargas de GnP (xGnP M-25 e M-5, abreviados como GnP25 e GnP5, respectivamente) (0,5 - 5,0 wt.%).

Por que o tamanho e o carregamento são importantes

Os valores de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica mostraram ser aprimorados com o aumento da carga de GnP e do tamanho das partículas, em que os nanocompósitos não apresentaram um limiar de percolação térmica visível. O novo modelo de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva foi então validado com resultados experimentais para nanocompósitos GnP-epoxi heterogêneos de duas fases orientados aleatoriamente. A Tabela 1 contém os parâmetros de entrada inseridos nos modelos de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica criados, seguidos de uma correlação dos dados experimentais com os modelos térmicos teóricos criados, mostrados na Figura 2 (a-b) para nanocompósitos de GnP-epóxi contendo GnP25 e GnP5, respectivamente.

Observa-se um aumento constante na condutividade térmica com o aumento da carga de enchimento para as partículas GnP25 e GnP5. Além disso, foi observada uma forte concordância entre os valores previstos pelo modelo de condutividade térmica e os dados experimentais para ambos os tipos de compósitos (consulte a Figura 2 (a-b)), com coeficientes de correlação calculados de ~0,98 e ~0,99 para nanocompósitos contendo GnP5 e GnP25, respectivamente. Esse resultado prova que o modelo de condutividade térmica construído no estudo pode fornecer uma boa previsão da condutividade térmica dos nanocompósitos GnP-epoxi em diferentes cargas de GnP. O aumento da eficiência da escalabilidade da fabricação e a ampliação dos modelos de materiais atuais ajudariam a projetar estruturas compostas de grafeno com propriedades previsíveis e modos de falha seguros, o que, por sua vez, facilitaria a fabricação de compósitos estruturados em laminados escaláveis para uma série de aplicações de ponta, como os setores aeroespacial e automotivo.

Essa pesquisaarch contribuiu para uma colaboração gerenciada pelo DMTC que envolve uma rede de pesquisaarch e parceiros do setor em toda a Austrália. Mais detalhes podem ser encontrados no artigo: Link para https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referências

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