Tasarlanmış Grafen Bazlı Termal Arayüzey Malzemelerinin Geliştirilmesinde Lazer Flaş Yönteminin Kullanımı

Yazarlar Azadeh Mirabedini, PhD ve Nishar Hameed, MPhil, PhD CChem, Akıllı Malzemeler ve Kompozitler Grubu, Bilim, Mühendislik ve Teknoloji Fakültesi, Swinburne Teknoloji Üniversitesi, Avustralya

^{Sp2-hibridize} karbonun iki boyutlu bal peteği kristal kafesi olan grafen, benzersiz fiziksel ve mekanik özellikleriyle hafif, akıllı ve sağlam hibrit malzemelerin geliştirilmesinde yoğun akademik ve endüstriyel ilgiye sahiptir. Süper gücü ve tüy kadar hafifliğinin yanı sıra grafen, mükemmel ısı ve elektrik iletkenliğinden de faydalanır ve şeffaf ve oldukça esnektir. Grafenin içsel termal iletkenliğinin, esas olarak yanal boyutlarına, kristal kalitesine ve kusur konsantrasyonuna bağlı olarak 2000-4000 ^Wm-1K-1 aralığında olduğu bildirilmektedir ki bu, bilinen herhangi bir malzemenin en yüksek değerleri arasındadır.^[1,2] Büyüleyici bir şekilde, grafenin termal iletkenliğinin, bir malzeme içindeki grafen iletken yolların boyutunun bir fonksiyonu olarak logaritmik olarak artan değerle değiştirilebilir olduğu da bulunmuştur.arcBu özellik, grafenin polimer kompozitlerde ve kaplamalarda kullanımını genişleterek bir dizi termal yönetim amacına yönelik 'sınırsız' yetenekler kazandırmıştır. Bu nedenle, grafen bazlı polimer kompozitlerin termal arayüz malzemeleri ve ısı alıcıları, ısı yayıcılar, termal gresler, soğutucular ve benzerleri dahil olmak üzere bir dizi uygulamada kullanıldığı bildirilmiştir^[3].

Mevcut grafen üretim yöntemlerinin çoğu henüz large miktarlarına ölçeklenebilir değildir ve bu nedenle, az katmanlı grafen (FLG) nanomalzemelerinin kullanımı son zamanlarda pratik termal uygulamalar için en etkili, düşük maliyetli ve ölçeklenebilir yaklaşımlardan biri haline gelmiştir.^[4,5] FLG, ısı akışı için daha yüksek bir kesit alanı sunarken mükemmel ısı iletim özelliklerini korur ve polimer matris içinde FLG dolgu maddelerinin birbirine bağlı ağının oluşumunu kolaylaştırarak kompozitlerin termal performansını artırabilir

Isı iletimi, ısı enerjisi bir yüzey tarafından emildiğinde ve parçacıkların mikroskobik çarpışmalarına neden olduğunda ve enerjiyi komşu parçacıklarına aktardığında moleküler düzeyde gerçekleşir; bu, ısı eklendiği sürece devam edecek bir süreçtir. Termal difüzivite, bir malzemenin termal taşıma özelliklerini karakterize etmek için en önemli termofiziksel malzeme parametresidir. Lazer Flaş tekniği, malzemelerin yüksek sıcaklıklardaki termal performansını belirlemek için en yaygın kabul gören, tahribatsız, temassız ve hassas bir yöntemdir.

Ölçüm ve modelleme nasıl bir araya gelir?

Industrial & Engineering Chemistry Researc h dergisindeki son makalemiz, grafen nanoplatelets (GnP)-modifiye epoksi polimer nanokompozitlerin Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite özelliklerinin araştırılmasında NETZSCH LFA 467 HyperFlash^®® uygulamasını özetlemektedir. GnP'lerin ortalama parçacık çapı yaklaşık 25 µm'dir ve yaklaşık 18-24 grafen katmanı içerir. Bu cihazın 2 MHz'lik yüksek veri toplama hızı, yüksek iletkenliğe sahip ve/veya ince malzemelerde güvenilir ve doğru ölçümler yapılmasını sağlar. Dökülen nanokompozitler, kenar uzunluğu 10 mm olan kare şekilli numuneler halinde kesilmiştir. Termal difüziviteleri, ısıtma ve soğutma işlemi sırasında oda sıcaklığı ile 150°C arasında ölçülmüştür. Etkili medium teorisi^[7] kullanılarak, nanokompozitlerin etkili termal iletkenliğini hesaplamak için hem Kapitza direncini (arayüzey termal direnci veya termal sınır direnci olarak da bilinir) hem de grafen-grafen temas direncini içeren basit bir analitik model de geliştirilmiştir.

Her bir numunenin termal iletkenliği daha sonra YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite ve malzemenin özgül ısısının çarpımı olarak hesaplanmıştır. Hazırlanan GnP-epoksi numunelerinin sıcaklığın bir fonksiyonu olarak termal iletkenliği, farklı GnP yükleri (xGnP M-25 ve M-5 sırasıyla GnP25 ve GnP5 olarak kısaltılacaktır) (ağırlıkça %0,5 - 5,0) içeren nanokompozitler için Şekil 1'de (a-b) gösterilmiştir.

Boyut ve yükleme neden önemlidir?

Termal iletkenlik değerlerinin, GnP yüklemesinin yanı sıra nanokompozitlerin görünür bir termal sızma eşiği sağlamadığı parçacık boyutundaki artışla arttığı görülmüştür. Yeni etkin Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik modeli daha sonra rastgele yönlendirilmiş iki fazlı heterojen GnP-epoksi nanokompozitler için deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Tablo 1, oluşturulan Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik modellerine eklenen giriş parametrelerini ve ardından sırasıyla GnP25 ve GnP5 içeren GnP-epoksi nanokompozitler için Şekil 2'de (a-b) gösterilen oluşturulan teorik termal modellerle deneysel verilerin bir korelasyonunu içermektedir.

Hem GnP25 hem de GnP5 partikülleri için artan dolgu maddesi yüklemesiyle birlikte termal iletkenlikte istikrarlı bir artış gözlenmiştir. Buna ek olarak, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik modeli tarafından tahmin edilen değerler ile her iki kompozit türü için deneysel veriler arasında güçlü bir uyum gözlenmiştir (bkz. Şekil 2 (a-b)), hesaplanan korelasyon katsayıları GnP5 ve GnP25 içeren nanokompozitler için sırasıyla ~0,98 ve ~0,99'dur. Bu sonuç, çalışmada oluşturulan Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik modelinin, farklı GnP yüklemelerinde GnP-epoksi nanokompozitlerin termal iletkenliğinin iyi bir tahminini sağlayabileceğini kanıtlamaktadır. Üretim ölçeklenebilirliğinin verimliliğini artırmak ve mevcut malzeme modellerini genişletmek, öngörülebilir özelliklere ve güvenli arıza modlarına sahip grafen kompozit yapıların tasarlanmasına yardımcı olacak ve bu da havacılık ve otomotiv endüstrileri gibi bir dizi üst düzey uygulama için ölçeklenebilir laminat yapılı kompozitlerin üretimini kolaylaştıracaktır.

Bu çalışmaarch, DMTC tarafından yönetilen ve Avustralya genelinde bir research ve endüstri ortakları ağını içeren bir işbirliğine katkıda bulunmuştur. Daha fazla ayrıntı makalede bulunabilir: Bağlantı https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.1c04621

Referanslar

[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.