06.04.2022 by Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Azadeh Mirabedini, PhD
Utilizarea metodei laser flash pentru dezvoltarea materialelor de interfață termică pe bază de grafen
Cu un set unic de proprietăți fizice și mecanice, grafenul, rețeaua cristalină bidimensională în formă de fagure de miere a carbonului sp2-hibridizat, prezintă un interes academic și industrial intens în dezvoltarea de materiale hibride ușoare, inteligente și robuste. Aflați mai multe despre utilizarea metodei laser flash pentru dezvoltarea de materiale cu interfețe termice pe bază de grafen și citiți lucrarea științifică scrisă de clientul nostru de lungă durată Swinburne University of Technology, Australia.
Autori: Azadhibeh, Azadhibeh și Azadeh Mirabedini, PhD și Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Smart Materials and Composites Group, Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Australia
Cu un set unic de proprietăți fizice și mecanice, grafenul, rețeaua cristalină bidimensională în formă de fagure de miere a carbonului sp2-hibridizat, prezintă un interes academic și industrial intens în dezvoltarea de materiale hibride ușoare, inteligente și robuste. Pe lângă superrezistența și ușurința sa, grafenul beneficiază, de asemenea, de o conductivitate termică și electrică excelentă și este transparent și foarte flexibil. Conductivitatea termică intrinsecă a grafenului se situează în intervalul 2000-4000 Wm-1K-1, depinzând în principal de dimensiunile sale laterale, de calitatea cristalului și de concentrația de defecte, fiind printre cele mai ridicate dintre toate materialele cunoscute[1,2] Fascinant este faptul că conductivitatea termică a grafenului este, de asemenea, modificabilă, valoarea crescând logaritmic în funcție de dimensiunea căilor conductoare de grafen dintr-un material. Această proprietate rară a extins utilizarea sa în compozite și acoperiri polimerice pentru a conferi capacități "nelimitate" pentru o serie de scopuri de gestionare termică. Având în vedere acest lucru, compozitele polimerice pe bază de grafen au fost raportate pentru a fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv materiale de interfață termică și radiatoare, dispersoare de căldură, unsori termice, agenți de răcire și așa mai departe[3].
Majoritatea metodelor actuale de producere a grafenului nu sunt încă scalabile la cantități large și, prin urmare, utilizarea nanomaterialelor de grafen cu câteva straturi (FLG) a devenit recent una dintre cele mai eficiente, ieftine și scalabile abordări pentru aplicații termice practice[4,5] FLG păstrează proprietăți excelente de conducție termică, oferind în același timp o secțiune transversală mai mare pentru fluxul de căldură și poate facilita formarea rețelei interconectate de umpluturi FLG în matricea polimerică, îmbunătățind performanța termică a compozitelor[6]
Conducția termică are loc la nivel molecular atunci când energia termică este absorbită de o suprafață și provoacă coliziuni microscopice ale particulelor și transferă energia către particulele vecine, un proces care va continua atâta timp cât se adaugă căldură. Difuzivitatea termică este cel mai important parametru termofizic pentru caracterizarea proprietăților de transport termic ale unui material. Tehnica laser flash este o metodă nedistructivă, fără contact și precisă, care este cea mai larg acceptată pentru determinarea performanței termice a materialelor la temperaturi ridicate.
Cum se îmbină măsurarea și modelarea
Articolul nostru recent din jurnalul Industrial & Engineering Chemistry Research prezintă aplicarea NETZSCH LFA 467 HyperFlash®® în investigarea proprietăților difuzivității termice a nanocompozitelor din polimeri epoxidici modificați cu nanoplachete de grafen (GnP). GnP-urile au un diametru mediu al particulelor de aproximativ 25 µm și conțin aproximativ 18-24 de straturi de grafen. Rata mare de achiziție a datelor a acestui dispozitiv, de 2 MHz, permite măsurători fiabile și precise ale materialelor foarte conductoare și/sau subțiri. Nanocompozitele turnate au fost tăiate în specimene de formă pătrată cu o lungime laterală de 10 mm. Difuzivitatea lor termică a fost măsurată între temperatura camerei și 150°C în timpul încălzirii și răcirii. Folosind teoria efectivă medium,[7] a fost dezvoltat, de asemenea, un model analitic simplu care include atât rezistența Kapitza (cunoscută și ca rezistență termică interfacială sau rezistență termică la limită), cât și rezistența de contact grafen-grafenă pentru a calcula conductivitatea termică efectivă a nanocompozitelor.
Conductivitatea termică a fiecărui specimen a fost apoi calculată ca produs al densității, difuzivității termice și căldurii specifice a materialului. Conductivitatea termică a probelor de GnP-epoxy așa cum au fost preparate în funcție de temperatură este prezentată în figura 1 (a-b) pentru nanocompozitele care conțin diferite încărcări de GnP (xGnP M-25 și M-5, abreviate în continuare GnP25 și, respectiv, GnP5) (0,5 - 5,0 % în greutate).
De ce contează dimensiunea și încărcarea
Valorile conductivității termice s-au dovedit a fi îmbunătățite odată cu creșterea încărcăturii de GnP, precum și a dimensiunii particulelor, în cazul în care nanocompozitele nu au prezentat un prag vizibil de percolație termică. Noul model de conductivitate termică efectivă a fost apoi validat cu rezultate experimentale pentru nanocompozitele GnP-epoxy eterogene bifazice orientate aleatoriu. Tabelul 1 cuprinde parametrii de intrare introduși în modelele de conductivitate termică create, urmate de o corelare a datelor experimentale cu modelele termice teoretice create, descrise în figura 2 (a-b) pentru nanocompozitele GnP-epoxy care conțin GnP25 și, respectiv, GnP5.
Se observă o creștere constantă a conductivității termice odată cu creșterea încărcăturii de umplutură atât pentru particulele GnP25, cât și pentru GnP5. În plus, s-a observat o concordanță puternică între valorile prezise de modelul de conductivitate termică și datele experimentale pentru ambele tipuri de compozite [a se vedea figura 2 (a-b)], cu coeficienți de corelație calculați de ~0,98 și ~0,99 pentru nanocompozitele care conțin GnP5 și GnP25, respectiv. Acest rezultat dovedește că modelul de conductivitate termică construit în studiu poate oferi o predicție bună a conductivității termice a nanocompozitelor GnP-epoxy la diferite încărcări GnP. Creșterea eficienței scalabilității fabricației și extinderea modelelor actuale de materiale ar ajuta la proiectarea structurilor compozite de grafen cu proprietăți previzibile și moduri de defectare sigure, care, la rândul lor, facilitează fabricarea compozitelor scalabile cu structură laminată pentru o gamă largă de aplicații de vârf, cum ar fi industria aerospațială și industria auto.
Această cercetare a contribuit la o colaborare gestionată de DMTC care implică o rețea de parteneri din cercetare și industrie din Australia. Mai multe detalii pot fi găsite în articol: Link către https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621
Referințe
[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.