Materiais de interface térmica assistida por grafeno com um nível de contato de interface satisfeito entre a matriz e os enchimentos

Resumo

Óxido de grafeno reduzido (RGO) e redes de grafeno tridimensional (3DGNs) são adotadas para melhorar o desempenho de materiais de interface térmica (TIMs). Nesse sentido, os 3DGNs fornecem uma rede de transporte rápida para fônons, enquanto o RGO atua como uma ponte para aprimorar a capacidade de transporte de fônons na interface entre o preenchedor e a matriz. Os tipos de grupos funcionais de superfície do RGO exercem uma influência notável no desempenho térmico resultante; os grupos carboxila são encontrados na seleção ideal para promover o processo de transporte na área de interface porque uma forte ligação química se formará entre o plano basal de grafeno e a resina epóxi (ER) por meio desse tipo de grupo. A condutividade térmica resultante atinge 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ depois de otimizar a fração de massa e morfologia do enchimento, que é 3250% maior do que o ER puro. Além disso, as propriedades mecânicas desses TIMs preparados também são detectadas, e as amostras usando o preenchimento RGO (OOH) exibem os melhores desempenhos.

Histórico

Materiais de interface térmica (TIMs) tornaram-se um dos principais problemas durante a última década por causa das crescentes demandas na dissipação de calor dos dispositivos eletrônicos altamente integrados [1,2,3,4]. Comparado com os enchimentos tradicionais (como SiC, Al ₂ O ₃ e BN), o grafeno apresenta uma perspectiva promissora para modificar a resina epóxi (ER) com base em sua excelente condutividade térmica elevada (5000 Wm ⁻¹ K ⁻¹ para a amostra de monocamada) [5]. Geralmente, a fração de massa dos enchimentos tradicionais deve exceder 50% para satisfazer a demanda real, levando a um fraco desempenho mecânico dos compósitos resultantes. Pelo contrário, uma baixa proporção do enchimento de óxido de grafeno reduzido (RGO) (~ 20% em peso) traz uma alta condutividade térmica (~ 4 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) para os TIMs compostos. Com base nos relatórios de Balandin e Lu, os fatores de aumento de condutividade térmica chegam a ~ 2000% após a adição do modificador RGO, e as propriedades mecânicas observadas atendem aos requisitos para a aplicação prática [6, 7]. Além disso, Chen et al. descobriram que o grafeno e os nanotubos de carbono podem ser usados para melhorar ainda mais o desempenho térmico dos TIMs, simultaneamente [8, 9].

No entanto, a alta densidade de defeitos e a baixa continuidade do RGO (devido às violentas reações de oxidação-redução) limitam o aumento adicional dos desempenhos térmicos resultantes [10]. Com base no relatório do grupo de Xie, os mecanismos de dispersão de fônons por vagas em materiais a granel e materiais bidimensionais foram revelados [11]. Para o enchimento RGO bidimensional, a massa perdida e as ligações perdidas causadas pelos defeitos impõem um impacto negativo no transporte de fônons. Por outro lado, embora as redes tridimensionais de grafeno (3DGNs) preparadas pelo método de deposição química de vapor possuam alta qualidade, a falta de um elo eficiente para alcançar um contato favorável entre o plano basal do grafeno e ER obstrui o transporte de fônons em seus interface [12]. Recentemente, descobrimos que uma densidade de defeito adequada do 3DGNs é benéfica para a condição de contato da interface (desempenha o mesmo papel que os grupos funcionais de superfície do RGO), mas o processo de controle é bastante complexo [13]. Mais recentemente, o RGO e o 3DGNs foram adotados como co-modificadores para melhorar o desempenho térmico dos TIMs por nosso grupo [14]. No entanto, o desempenho térmico resultante ainda está longe do esperado porque a sinergia entre esses dois enchimentos é difícil de alcançar.

Neste estudo, os enchimentos RGO com grupos funcionais de superfície otimizados (incluindo quantidade total e tipos) são fabricados e empregados com os 3DGNs para os TIMs compostos. Nesse sentido, os 3DGNs fornecem uma rede de transporte rápida para o fônon, enquanto o RGO atua como uma ponte para conectar o plano basal do grafeno ao ER. A influência dos tipos de grupos funcionais de superfície do RGO é revelada e um projeto de otimização correspondente é realizado. A condutividade térmica resultante atinge 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ao adotar o preenchimento RGO otimizado, que é 25% maior do que os TIMs baseados em grafeno relatados anteriormente [7, 10]. Além da influência nos desempenhos térmicos, as influências correspondentes nas propriedades mecânicas dos TIMs resultantes dos grupos funcionais do RGO também são discutidos.

Resultados e discussão

Imagens SEM do RGO, 3DGNs e TIMs resultantes são mostrados na Fig. 1, e os TIMs compostos conforme preparados exibem as aparências suaves (as fotos digitais do ER, preenchimento RGO e RGO-3DGNs-ER são fornecidas em Fig. 1e – g). Diferente do RGO, o tamanho das rugas na superfície 3DGN é muito maior (Fig. 1a, b). Já para a amostra RGO, a presença de rugas é espontânea para aumentar sua estabilidade, enquanto a discrepância entre os coeficientes de expansão térmica do substrato de grafeno e níquel leva às rugas dos 3DGNs. Uma superfície rugosa com poros e rachaduras óbvias pode ser vista a partir do ER puro, implicando em uma baixa condutividade térmica (Fig. 1c, a mudança da constante de força resultante das vacâncias do ER traz uma baixa condutividade térmica) [11]. Ao contrário, essas fissuras (formadas durante o processo de solidificação) desaparecem após a adição da carga de grafeno, o que está de acordo com nossos relatórios anteriores [10, 12]. Além disso, os preenchimentos parciais RGO podem ser vistos na superfície dos espécimes RGO-ER (Fig. 1d-f), enquanto alguns côncavos-convexos óbvios (induzidos pelos 3DGNs internos) aparecem na superfície do 3DGNs-ER (Fig. 1g). Ambas as características podem ser vistas na amostra co-modificada de RGO e 3DGN (Fig. 1h). A presença de 3DGNs pode ser vista claramente a partir da vista em seção transversal das imagens SEM (inserções da Fig. 1h).

Imagens SEM de a RGO (OOH), b 3DGNs, c ER primitivo, d RGO (OOH) -ER, e RGO (OH) -ER, f RGO (O) -ER, g 3DGNs-ER e h 3DGNs-RGO (O) -ER. As fotos digitais do ER, preenchedor RGO e RGO-3DGNs-ER são fornecidas nas inserções de e - g , e todas as barras de escala representam 2 cm. A visão transversal das imagens SEM é mostrada nas inserções de h . Imagens SEM do RGO, 3DGNs e TIMs resultantes são mostrados na figura, e os TIMs compostos conforme preparados exibem as aparências suaves (as fotos digitais do ER, preenchimento RGO e RGO-3DGNs-ER são fornecidas em e - g ) Diferente do RGO, o tamanho das rugas na superfície 3DGNs é muito maior ( a , b ) Já para a amostra RGO, a presença de rugas é espontânea para aumentar sua estabilidade, enquanto a discrepância entre os coeficientes de expansão térmica do substrato de grafeno e níquel leva às rugas dos 3DGNs. Uma superfície áspera com poros e rachaduras óbvias pode ser vista a partir do ER primitivo, implicando em uma baixa condutividade térmica ( c , a mudança da constante de força resultante das vacâncias do ER acarreta uma má condutividade térmica) [11]. Ao contrário, essas fissuras (formadas durante o processo de solidificação) desaparecem após a adição da carga de grafeno, o que está de acordo com nossos relatórios anteriores [10, 12]. Além disso, os preenchimentos parciais de RGO podem ser vistos na superfície dos espécimes RGO-ER ( d - f ), enquanto alguns óbvios côncavo-convexos (induzidos pelos 3DGNs internos) aparecem na superfície do 3DGNs-ER ( g ) Ambas as características podem ser vistas na amostra co-modificada de RGO e 3DGNs ( h ) A presença dos 3DGNs pode ser vista claramente a partir da visão transversal das imagens SEM (inserções de h )

A fim de revelar a influência da quantidade total e do tipo dos grupos funcionais de superfície do RGO, vários enchimentos RGO são usados para modificar os TIMs. As curvas Raman desses espécimes RGO e 3DGN empregados são registradas (Fig. 2), e algumas distinções notáveis nas intensidades relativas dos picos D, G e 2D podem ser encontradas. A curva correspondente da grafite natural também é registrada para comparação. A alta qualidade dos 3DGNs é comprovada pela ausência do pico D na curva correspondente, que é semelhante à do grafite natural. Ao contrário, um notável pico D aparece no perfil da amostra GO devido aos defeitos introduzidos durante o processo de oxidação. Além disso, a ausência do pico 2D confirma este ponto de vista. Após um processo de redução, a intensidade do pico D diminui significativamente e o pico 2D reaparece nas curvas dos espécimes RGO. Com base na razão de intensidade integral do I _D / eu _G , as densidades de defeito dessas amostras de grafeno adotadas podem ser calculadas (todos os resultados e cálculos detalhados estão listados no arquivo adicional 1:Tabela S1) [15, 16]. Depois de analisar essas curvas, verifica-se que as posições da banda G da grafite natural e 3DGNs localizam-se a 1580 cm ⁻¹ , que muda para 1600 cm ⁻¹ para o RGO, confirmando a qualidade superior do 3DGNs em relação ao RGO [17, 18]. A fim de obter mais informações dos grupos funcionais de superfície do RGO, os padrões XRD e XPS são registrados e os tipos e proporções correspondentes de vários grupos funcionais de superfície são calculados (Arquivo adicional 1:Figuras S1, S2 e Tabela S2) [10, 12]. Ajustando os processos de oxidação e redução, a retenção seletiva de vários grupos funcionais pode ser alcançada (incluindo grupos carboxila, hidroxila e epóxi) [19].

Curvas Raman da grafite natural e vários enchimentos de grafeno. As curvas Raman desses espécimes RGO e 3DGNs empregados são registradas, e algumas distinções notáveis nas intensidades relativas dos picos D, G e 2D podem ser encontradas. A curva correspondente da grafite natural também é registrada para comparação. A alta qualidade dos 3DGNs é comprovada pela ausência do pico D na curva correspondente, que é semelhante à do grafite natural. Ao contrário, um notável pico D aparece no perfil da amostra GO devido aos defeitos introduzidos durante o processo de oxidação. Além disso, a ausência do pico 2D confirma este ponto de vista. Após um processo de redução, a intensidade do pico D diminui significativamente e o pico 2D reaparece nas curvas dos espécimes RGO. Com base na razão de intensidade integral do I _D / eu _G , as densidades de defeito dessas amostras de grafeno adotadas podem ser calculadas (todos os resultados e cálculos detalhados estão listados no arquivo adicional 1:Tabela S1) [15, 16]. Depois de analisar essas curvas, verifica-se que as posições da banda G da grafite natural e 3DGNs localizam-se a 1580 cm ⁻¹ , que muda para 1600 cm ⁻¹ para o RGO, confirmando a qualidade superior dos 3DGNs em comparação com o RGO [17, 18]

As condutividades térmicas das amostras TIM resultantes são mostradas na Fig. 3, e as propriedades térmicas obtidas estão intimamente relacionadas à amostra RGO adotada. Comparado com as amostras que adotam o RGO (OH) e o RGO (O), o composto auxiliado por RGO (OOH) apresenta os melhores desempenhos. A condutividade térmica (5,5 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) deste último é cerca de ~ 12% maior do que o anterior (a fração de massa do enchimento é de 20% em peso), provando que os tipos de grupos funcionais de superfície do RGO exercem uma influência significativa no desempenho térmico resultante do TIMs compostos. A condutividade térmica do RGO (OOH) -3DGNs-ER como preparado é comparada com aquela do ER assistido por grafeno relatado anteriormente (inserção da Fig. 3), implicando em adotar o RGO (OOH) é significativo para atingir o alto desempenho [ 6, 7, 10, 14, 20, 21, 22, 23]. A condutividade térmica aumenta ainda mais após a adição de 3DGNs (6,1 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ), indicando a adição de 3DGNs e uma retenção seletiva de grupos funcionais do RGO são ambos os determinantes para as condutividades térmicas resultantes.

Condutividades térmicas de vários TIMs compostos conforme preparados com o aumento das frações de massa dos enchimentos de grafeno. As condutividades térmicas das amostras TIMs resultantes são mostradas na figura, e as propriedades térmicas obtidas estão intimamente relacionadas à amostra RGO adotada. Comparado com aquelas amostras de adoção do RGO (OH) e RGO (O), o composto auxiliado por RGO (OOH) exibe os melhores desempenhos. A condutividade térmica (5,5 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) deste último é cerca de ~ 12% maior do que o anterior (a fração de massa do enchimento é de 20% em peso), provando que os tipos de grupos funcionais de superfície do RGO exercem uma influência significativa no desempenho térmico resultante do TIMs compostos. A condutividade térmica do RGO (OOH) -3DGNs-ER como preparado é comparada com aquela do ER assistido por grafeno relatado anteriormente (inserção da figura), implicando em adotar o RGO (OOH) é significativo para atingir o alto desempenho [6 , 7, 10, 14, 20, 21, 22, 23]. A condutividade térmica aumenta ainda mais após a adição de 3DGNs (6,1 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ), indicando a adição de 3DGNs e uma retenção seletiva de grupos funcionais do RGO são ambos os determinantes para as condutividades térmicas resultantes

A resistência do limite da interface ( δ ) é um parâmetro importante para julgar a condição de contato da interface. De acordo com a teoria de Balandin [24], a condutividade térmica dos TIMs modificados com grafeno pode ser calculada pela seguinte equação:
$$ K ={K} _g \ left [\ frac {2p \ left ({K} _g- {K} _e \ right) +3 {K} _e} {\ left (3-p \ right) {K} _g + {K} _ep + \ frac {\ delta {K} _g {K} _ep} {H}} \ right] $$ (1)
onde p representa a porcentagem de volume do enchimento de grafeno e K , K _g e K _e são condutividades térmicas do composto resultante, grafeno e ER, respectivamente. H e δ são a espessura do grafeno e a resistência térmica do limite entre o grafeno e ER, respectivamente. Com base nos cálculos relativos, verifica-se que o δ é profundamente dependente dos grupos funcionais de superfície específicos do RGO adotado (listados na Tabela 1), e o menor valor é obtido da amostra auxiliada por RGO (OOH). Estes resultados estão em linha com os resultados de condutividade térmica, confirmando que os tipos de grupos funcionais do RGO exercem uma influência significativa no nível de contato da interface entre a matriz e o preenchedor. Como sabemos, o grupo carboxila reagirá com o grupo epóxi sob uma temperatura média, e uma ligação química se formará entre o RGO (OOH) e o ER durante o processo de solidificação (110 ° C) [14, 25]. Além disso, o grau de redução do RGO está intimamente relacionado aos desempenhos térmicos resultantes. O grupo de Wang provou que os grupos funcionais do grafeno podem reduzir a incompatibilidade de fônons e aumentar a eficiência do transporte térmico entre o plano basal do grafeno e o ER na teoria [26]. Nosso grupo relatou a relação entre a quantidade total de grupos funcionais do RGO e a condutividade térmica resultante do RGO-ER [19]. Grupos funcionais insuficientes não podem fornecer uma ponte eficaz para melhorar a condição de contato da interface, enquanto a função de grupos funcionais excessivos pode ser ignorada porque a quantidade total de fônons é limitada. Recentemente, o grupo de Manchado e o grupo de Araghi relataram influência semelhante do grupo funcional do RGO em outros compostos orgânicos [27, 28]. Depois de otimizar a quantidade total dos grupos funcionais de superfície (a proporção de átomos de carbono do elemento para átomos de carbono funcionais no RGO é C _elemento : C _funcional =1,94:1), a condutividade térmica aumenta para 6,3 Wm ⁻¹ K ⁻¹ .

De acordo com a equação de Balandin, a condutividade térmica resultante também é influenciada pelos parâmetros morfológicos do enchimento de grafeno. O grupo de Fu otimizou a morfologia do RGO (nanoplacas) adotado, o que traz um alto desempenho térmico (4,01 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [7]. Além disso, nosso grupo discutiu a influência detalhada do tamanho médio e da espessura do RGO adotado [10]. Um tamanho médio (> 100 nm) e espessura (~ 2 nm) são recomendados, e a condutividade térmica do TIM resultante aumenta para 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ (que é 25% maior do que os valores relatados anteriormente) [7, 10]. De acordo com os dados obtidos (Fig. 4a), a influência nas condutividades térmicas resultantes do tamanho médio do RGO é mais marcante do que a influência da espessura do filler, implicando que a área de contato entre o plano basal de grafeno e ER é o determinante para o desempenho obtido. Por último, as proporções de massa entre os 3DGNs e RGO são otimizadas (10% em peso para os 3DGNs e 20% em peso para o RGO; embora a condutividade térmica dos TIMs resultantes quase aumente linearmente com o aumento da fração de massa do enchimento de grafeno, uma maior a fração de massa do enchimento levará a uma baixa adesividade dos TIMs resultantes) para obter a sinergia entre eles. Uma alta estabilidade do desempenho térmico sob alta temperatura é vital para os TIMs para garantir que os dispositivos eletrônicos funcionem no estado normal. As condutividades térmicas dos TIMs preparados com várias frações de massa do RGO (OOH) abaixo de 50 ° C estão listadas na Fig. 4b, e nenhuma degradação notável pode ser vista após 7 dias, indicando a perspectiva promissora para a aplicação prática.

a Relação entre os desempenhos térmicos e a morfologia RGO com aumento da fração de massa do enchimento b estabilidade de condutividade térmica dos TIMs resultantes com várias frações de massa do enchimento RGO sob 50 ° C por um longo tempo. De acordo com a equação de Balandin, a condutividade térmica resultante também é influenciada pelos parâmetros morfológicos do enchimento de grafeno. O grupo de Fu otimizou a morfologia do RGO (nanoplacas) adotado, o que traz um alto desempenho térmico (4,01 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [7]. Além disso, nosso grupo discutiu a influência detalhada do tamanho médio e da espessura do RGO adotado [10]. Um tamanho médio (> 100 nm) e espessura (~ 2 nm) são recomendados, e a condutividade térmica do TIM resultante aumenta para 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ (que é 25% maior do que os valores relatados anteriormente) [7, 10]. De acordo com os dados obtidos ( a ), a influência nas condutividades térmicas resultantes do tamanho médio do RGO é mais notável do que a influência da espessura do enchimento, implicando que a área de contato entre o plano basal de grafeno e ER é o determinante para o desempenho obtido. Por último, as proporções de massa entre os 3DGNs e RGO são otimizadas (10% em peso para os 3DGNs e 20% em peso para o RGO; embora a condutividade térmica dos TIMs resultantes quase aumente linearmente com o aumento da fração de massa do enchimento de grafeno, uma maior a fração de massa do enchimento levará a uma baixa adesividade dos TIMs resultantes) para obter a sinergia entre eles. Uma alta estabilidade do desempenho térmico sob alta temperatura é vital para os TIMs para garantir que os dispositivos eletrônicos funcionem no estado normal. As condutividades térmicas dos TIMs preparados com várias frações de massa do RGO (OOH) abaixo de 50 ° C estão listadas em b , e nenhuma degradação notável pode ser vista após 7 dias, indicando a perspectiva promissora para a aplicação prática

Além da alta condutividade térmica, um bom desempenho mecânico é muito importante para utilizar os TIMs preparados em grande escala. A alta propriedade mecânica intrínseca do grafeno pode ser mantida nos 3DGNs por causa de seu tamanho relativamente grande e estrutura contínua entre as folhas de grafeno. As forças finais (relação tensão-tensão) e limites de alongamento do ER primitivo e os TIMs resultantes são registrados (listados na Tabela 2; ambas as frações de massa dos enchimentos RGO e 3DGN adotados são 5% em peso). Com base nos relatórios do grupo de Dermani e do grupo de Zhu, a presença de grupos funcionais de superfície do enchimento RGO está intimamente relacionada à resistência final dos TIMs resultantes [29, 30]. Neste estudo, o compósito RGO (OOH) -3DGNs-ER apresenta os melhores desempenhos, indicando que o contato químico entre o RGO (OOH) e o RE é mais forte do que o de outros compósitos. A resistência final da amostra auxiliada por RGO (OOH) é ~ 10% maior do que a de outros TIMs. Da mesma forma, seu limite de alongamento chega a 280%, o que é muito melhor do que o ER puro. Portanto, os grupos carboxila na superfície do RGO não só atuam como ponte para promover o transporte de fônons entre o filler e a matriz, mas também conferem aos TIMs um bom desempenho mecânico devido ao contato químico próximo a partir desses grupos funcionais. Além disso, a adesividade é outra propriedade crucial dos TIMs. O módulo de Young e as resistências ao cisalhamento do ER puro e dos espécimes modificados com grafeno são testados e listados na Tabela 3. Como podemos ver, o desempenho correspondente do 3DGNs-ER é inferior ao do ER puro devido à interface pobre força adesiva entre o 3DGNs e ER. Da mesma forma, os desempenhos das amostras auxiliadas por RGO (O) - e RGO (OH) não são tão bons quanto aqueles do ER puro (por causa da aglomeração das nanofolhas RGO), o que está de acordo com os relatórios anteriores [31 , 32,33]. De acordo com o estudo de Salom et al., Uma melhor resistência articular pode ser alcançada quando uma fração de massa baixa do filler RGO é adotada para evitar a aglomeração excessiva [33]. No entanto, a baixa proporção do enchimento de grafeno leva a desempenhos térmicos pobres. Pelo contrário, a resistência da junta do RGO (OOH) -3DGNs-ER é comparável com a do ER puro, demonstrando que a resistência adesiva resultante é dependente do tipo de grupo funcional do preenchimento RGO adotado. Com base nos resultados do teste, o grupo carboxila, em vez dos grupos hidroxila e epóxi, impõe um efeito positivo nas propriedades mecânicas e adesivas dos TIMs preparados. O preenchimento RGO (OOH) desempenha um papel fundamental para melhorar o nível de contato da interface entre o plano basal de grafeno e o ER.

Métodos

Materiais

Grafite natural e acetona foram recebidos de Aladdin Co., Ltd. ER e o agente de cura foram obtidos comercialmente de Sanmu Co. Ltd. (Suzhou, China). Nitrato de prata, carbonato de potássio, etanol, hidróxido de sódio, pentóxido de fósforo, ácido cloroacético, ácido clorídrico, permanganato de potássio, peróxido de hidrazina e ácido sulfúrico foram adquiridos na Fábrica de Reagente Químico de Pequim (Pequim, China). Metiletilcetona e hidróxido de sódio foram obtidos de Shanghai Chemical Reagent Co. Ltd. (Shanghai, China). Água desionizada (resistividade 18 MΩ cm) foi utilizada para preparar todas as soluções aquosas.

Preparação

As amostras de óxido de grafeno (GO) são preparadas pelo método de Hummer modificado e abordagem relatada de Zhang, e os grupos principais são carboxila e hidroxila, respectivamente [34, 35]. A principal diferença da abordagem de Zhang em comparação com o método de Hummer é que apenas um processo de oxidação é necessário para o primeiro. Resumidamente, 1,0 g de grafite natural é adicionado a 35 mL de H ₂ SO ₄ (98% em peso), seguido pela adição de 1,2 g KMnO ₄ . A suspensão é agitada por 72 h para envolver totalmente H ₂ SO ₄ intercalação. Em seguida, são adicionados 10,0 mL de água desionizada e a temperatura é aquecida até 70 ° C. Então, 10,0 mL de H ₂ O ₂ (30% em peso) é introduzido com um processo de agitação (5 h). Por último, centrifugação e lavagem são realizadas para obter as amostras GO. Vários agentes redutores, incluindo álcool e hidrazina, são usados para reduzir as amostras de GO com grupos funcionais seletivos. Resumidamente, 20 mg de amostra GO são dispersos em 50 mL de etilenoglicol e um tratamento de sonicação de 60 minutos é realizado. Em seguida, a suspensão é aquecida a 160 ° C durante 5 h sob agitação vigorosa. Após um subsequente processo de centrifugação, a amostra é lavada três vezes com água desionizada. Por fim, a pasta obtida é seca a 60 ° C em estufa a vácuo (os grupos carboxila e hidroxila são retidos, enquanto os grupos epóxi são removidos). Quanto ao uso da hidrazina, todos os grupos funcionais são removidos sem seletividade. Resumidamente, 2 mL de hidrazina são adicionados à solução GO de 30 mL (2 mg mL ⁻¹ ) gota a gota a 98 ° C e mantida durante 4 h. Além disso, hidróxido de sódio e ácido cloroacético são adotados para controlar ainda mais as amostras RGO com grupos funcionais projetados [19, 24]. RGO (OOH):a amostra de grafite natural é preparada pelo método Hummer modificado e, em seguida, reduzida pelo álcool. RGO (OH):a amostra de grafite natural é preparada pelo método de Zhang e, em seguida, reduzida pelo álcool. RGO (O):em primeiro lugar, a amostra de grafite natural é preparada pelo método de Hummer modificado. Depois disso, os grupos hidroxila são transferidos para o grupo carboxila. Resumidamente, hidróxido de sódio (1,2 g) e ácido cloroacético (1,0 g) são adicionados à suspensão RGO (30 mL, 1 mg mL ⁻¹ ) e a mistura é sonicada em banho durante 2 h. Por último, os grupos carboxila do produto intermediário são removidos por nitrato de prata e carbonato de potássio pelo método relatado de Du et al. [36]. A preparação dos TIMs foi descrita em nossos relatórios anteriores [14, 19]. Na primeira etapa, a amostra RGO é dispersa em água (lisozima é adicionada e o valor de pH da solução é ajustado para 10) [19] e é tratada com ultrassom por 10 min. Em seguida, a amostra RGO bem dispersa é vertida em ER sob agitação modesta por 10 min. Após agitação, o compósito é curado a 110 ° C durante 2 h. A amostra 3DGN é preparada pelo método de deposição química de vapor [13]. Resumidamente, a espuma de níquel é aquecida a 1100 ° C sob Ar (300 sccm) e H ₂ (150 sccm) atmosfera com 20 ° C min ⁻¹ taxa de aquecimento em um forno tubular para reduzir o limite de grãos do substrato. Então, uma pequena quantidade de CH ₄ (10 sccm) é introduzido por 2 min. Depois disso, as amostras são resfriadas à temperatura ambiente sob Ar (300 sccm) e H ₂ (200 sccm) atmosfera, e as taxas de resfriamento são 1 ° C s ⁻¹ , respectivamente. A preparação de amostras modificadas com 3DGN foi descrita em nossos relatórios anteriores [10, 12, 14]. Resumidamente, uma certa quantidade de 3DGNs é colocada em um molde e, em seguida, a resina epóxi incluindo o agente de cura é deixada cair na superfície 3DGN. Depois de deixar cair uma camada de resina epóxi (3DGN é coberto), alguns 3DGNs são adicionados novamente. Finalmente, a mistura de resina epóxi 3DGNs é curada a 110 ° C por 5 h. A preparação do 3DGNs e do composto comodificado com RGO é semelhante à da amostra modificada com 3DGN, substituindo o ER puro por ER adicionado de RGO (a fração de massa do RGO é de 5–20% em peso). O tamanho médio da amostra RGO pode ser ajustado adicionando um tratamento de sonicação (0–12 h).

Caracterização

As imagens morfológicas foram observadas em microscópio eletrônico de varredura (SEM, FEI Sirion 200 trabalhando a 5 kV). Os espectros Raman foram realizados pelo microspectrômetro Raman LabRam-1B a 532 nm. Os perfis de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foram registrados em um sistema PHI-5000C ESCA atualizado com RBD. Análise de flash laser (LFA 2000, Linseis, Alemanha) e calorimetria diferencial de varredura (Diamond DSC, PerkinElmer) foram utilizadas para obter o desempenho térmico dos compósitos. As condutividades térmicas dos compósitos preparados são calculadas pela seguinte equação: k = α ∗ ρ ∗ C _P onde o k , α , ρ e C _p representam a condutividade térmica, coeficiente de difusão térmica, densidade e calor específico dos compósitos, respectivamente. Os dados de α e C _p pode ser detectado diretamente da análise de flash de laser e calorimetria de varredura diferencial. As propriedades mecânicas desses compósitos foram registradas por um instrumento de análise térmica mecânica dinâmica (DMTA, Triton Instrument, UK). O módulo de Young foi analisado no modo de dobra do cantilever duplo usando o instrumento DMTA (Triton Instrument, UK). Os valores de resistência da junta das amostras preparadas e ER puro foram extraídos pelo teste de cisalhamento de uma única volta pelo padrão ASTM D1002-01 com o instrumento DMTA (Triton Instrument, UK). Resumidamente, as peças de alumínio (100 × 25 × 2 mm ³ ) foram montados em juntas de cisalhamento de sobreposição única com 12,5 mm de comprimento de sobreposição. A espessura dos TIMs foi limitada a 0,2 mm ± 0,04 mm, e a dimensão da junta sobreposta foi controlada para 25 × 12,5 mm ² . Antes do ensaio de resistência da junta, um processo de tratamento de superfície é realizado para remover a poeira e graxa nas superfícies de alumínio [33]. As peças de alumínio foram tratadas pelo processo de jateamento abrasivo, processo de desengorduramento (usando metil etil cetona) e processo de gravação (usando solução de NaOH (100 g L ⁻¹ ) a 60 ° C durante 5 min).

Conclusões

O RGO e 3DGNs foram adotados para modificar o ER para melhorar o desempenho térmico dos TIMs resultantes. Ao controlar os tipos de grupos funcionais na superfície RGO, a influência correspondente no nível de contato da interface é revelada. Entre todos os TIMs preparados, o RGO (OOH) apresenta o melhor desempenho devido à alta atividade de reação do grupo carboxila (do RGO) e do grupo epóxi (do ER) durante o processo de solidificação. Além disso, a morfologia (incluindo tamanho médio e espessura) do enchimento RGO também é ajustada para aumentar ainda mais a propriedade térmica. Após a otimização correspondente, a condutividade térmica do RGO (OOH) -3DGNs-ER resultante atinge 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ , que é 3250% maior do que o ER puro. Lastly, the mechanical properties and adhesiveness of these prepared specimens are tested, and the RGO(OOH)-added composites display the best performance because of the formed strong bond between the filler and matrix. Therefore, optimizing the type of the functional group of the RGO filler is a feasible way to enhance the thermal and mechanical properties of the composite TIMs.

Abreviações

3DGNs:: Three-dimensional graphene networks
C _p :: Specific heat
DMTA:: Dynamic mechanical thermal analysis
DSC:: Calorimetria de varrimento diferencial
ER:: Epoxy resin
GO:: Óxido de grafeno
k :: Thermal conductivity
RGO:: Óxido de grafeno reduzido
RGO(O):: The RGO specimen with the epoxy as the primary functional group
RGO(O)-ER:: RGO(O)-modified ER
RGO(OH):: The RGO specimen with the hydroxyl as the primary functional group
RGO(OH)-ER:: RGO(OH)-modified ER
RGO(OOH):: The RGO specimen with the carboxyl as the primary functional group
RGO(OOH)-3DGNs-ER:: RGO(OOH) and 3DGNs co-modified ER
RGO(OOH)-ER:: RGO(OOH)-modified ER
RGO-3DGNs-ER:: RGO and 3DGNs co-modified ER
sccm:: Standard-state cubic centimeter per minute
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
TIMs:: Thermal interface materials
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
α :: Thermal diffusion coefficient
ρ :: Densidade

Fotodetector ultravioleta ultravioleta ZnO flexível de baixo custo incorporado no substrato de PAVL Microesferas de silício mesoporosas produzidas a partir de redução magnesiotérmica in situ de óxido de silício para material de ânodo de alto desempenho em baterias de íon de sódio

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias