Использование метода лазерной вспышки для разработки инженерных материалов термоинтерфейсов на основе графена

Авторы: Азаде Мирабедини, доктор философии, и Нишар Хамид, магистр философии, доктор химии, группа "умных" материалов и композитов, факультет науки, инженерии и технологий, Технологический университет Суинберна, Австралия

Обладая уникальным набором физико-механических свойств, графен, двумерная сотовая кристаллическая решетка ^{sp2-гибридизированного} углерода, вызывает повышенный академический и промышленный интерес при разработке легких, интеллектуальных и прочных гибридных материалов. Наряду со сверхпрочностью и легкостью графен обладает превосходной тепло- и электропроводностью, а также прозрачностью и высокой гибкостью. Собственная теплопроводность графена, как сообщается, находится в диапазоне 2000-4000 ^Втм-1К-1, в основном в зависимости от его поперечных размеров, качества кристалла и концентрации дефектов, что является одним из самых высоких показателей среди всех известных материалов.^[1,2] Интересно, что теплопроводность графена также может изменяться, причем ее значение увеличивается логарифмически в зависимости от размера проводящих дорожек графена в материале.arcЭто свойство графена расширило его применение в полимерных композитах и покрытиях, придав ему "неограниченные" возможности для различных целей терморегулирования. В связи с этим сообщалось о полимерных композитах на основе графена для использования в различных областях, включая материалы для тепловых интерфейсов и радиаторов, теплораспределители, термические смазки, охлаждающие жидкости и т.д.^[3].

Большинство существующих методов производства графена пока не позволяют масштабировать его до объемов large, поэтому использование наноматериалов на основе малослойного графена (МГЛГ) в последнее время стало одним из наиболее эффективных, недорогих и масштабируемых подходов для практических тепловых применений.^[4,5] МГЛГ сохраняет отличные теплопроводные свойства, обеспечивая большую площадь сечения для теплового потока, и может способствовать образованию взаимосвязанной сети наполнителей МГЛГ в полимерной матрице, повышая тепловые характеристики композитов.^[6]

Теплопроводность происходит на молекулярном уровне, когда тепловая энергия поглощается поверхностью, вызывает микроскопические столкновения частиц и передает энергию соседним частицам, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока происходит приток тепла. Теплопроводность - важнейший теплофизический параметр материала, характеризующий его теплопроводные свойства. Метод лазерной вспышки - это неразрушающий, бесконтактный и точный метод, который наиболее широко применяется для определения тепловых характеристик материалов при повышенных температурах.

Как объединяются измерение и моделирование

В нашей недавней статье в журнале Industrial & Engineering Chemistry Researc h рассказывается о применении прибора NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® для исследования свойств тепловой диффузии графеновых нанопластинок (ГНП), модифицированных эпоксидными полимерными нанокомпозитами. ГНП имеют средний диаметр частиц около 25 мкм и содержат около 18-24 графеновых слоев. Высокая скорость сбора данных прибора (2 МГц) позволяет проводить надежные и точные измерения высокопроводящих и/или тонких материалов. Отлитые нанокомпозиты были разрезаны на образцы квадратной формы с длиной стороны 10 мм. Их температуропроводность измерялась между комнатной температурой и 150°C во время нагрева и охлаждения. Используя эффективную теорию medium ^[7], была разработана простая аналитическая модель, включающая сопротивление Капицы (также известное как межфазное термическое сопротивление или термическое граничное сопротивление) и контактное сопротивление графена с графеном для расчета эффективной теплопроводности нанокомпозитов.

Затем теплопроводность каждого образца рассчитывалась как произведение плотности, температуропроводности и удельной теплоемкости материала. Теплопроводность подготовленных образцов GnP-эпоксидной смолы в зависимости от температуры показана на рис. 1 (a-b) для нанокомпозитов с различным содержанием GnP (xGnP M-25 и M-5, далее сокращенно GnP25 и GnP5, соответственно) (0,5-5,0 мас.%).

Почему размер и загрузка имеют значение

Значения теплопроводности увеличивались с ростом загрузки GnP, а также размера частиц, при этом нанокомпозиты не достигали видимого порога тепловой перколяции. Новая модель эффективной теплопроводности была проверена экспериментальными результатами для случайно-ориентированных двухфазных гетерогенных нанокомпозитов GnP-эпоксидная смола. В табл. 1 приведены входные параметры, введенные в созданные модели теплопроводности, а затем показана корреляция экспериментальных данных с созданными теоретическими тепловыми моделями, изображенными на рис. 2 (a-b) для нанокомпозитов GnP-эпокси, содержащих GnP25 и GnP5 соответственно.

Стабильное увеличение теплопроводности с ростом загрузки наполнителя наблюдается как для частиц GnP25, так и для GnP5. Кроме того, наблюдалось сильное согласие между значениями, предсказанными моделью теплопроводности, и экспериментальными данными для обоих типов композитов (см. рис. 2 (a-b)), с расчетными коэффициентами корреляции ~0,98 и ~0,99 для нанокомпозитов, содержащих GnP5 и GnP25, соответственно. Этот результат доказывает, что построенная в исследовании модель теплопроводности может обеспечить хорошее предсказание теплопроводности нанокомпозитов GnP-эпоксидной смолы при различных загрузках GnP. Повышение эффективности масштабируемости производства и расширение существующих моделей материалов поможет разработать графеновые композитные структуры с предсказуемыми свойствами и безопасными режимами разрушения, что, в свою очередь, облегчит производство масштабируемых композитов с ламинатной структурой для ряда высокотехнологичных применений, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.

Эта работаarch способствовала сотрудничеству под руководством DMTC с сетью исследовательскихarch и промышленных партнеров по всей Австралии. Более подробную информацию можно найти в статье: Ссылка на https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Ссылки

[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.