Geweldige verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposiet met ultralange koperen nanodraden

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de typische scanning-elektronenmicroscopiebeelden van drie verschillende nanomaterialen. De SEM-afbeeldingen van ultralange CuNW's, bereid door de hydrothermische methode met behulp van oleylamine en oliezuur als de dubbele liganden gedurende 12 uur, worden weergegeven in Fig. 1a, b. Opgemerkt wordt dat de CuNW's een hoofddiameter hebben van 250 ~ 300 nm, een lengte van meer dan 100 m en een beeldverhouding van 333 ~ 400. Bovendien hebben de CuNW's gladde oppervlakken en blijken ze zeer flexibel te zijn, aangezien sommige ervan meer dan 180 ° konden buigen zonder enige breuk. Het is duidelijk onthuld dat de ultralange CuNW's met succes worden gesynthetiseerd. In Fig. 1 zijn panelen c en d respectievelijk de SEM- en TEM-afbeeldingen van BNP's. De BNP's tonen een tweedimensionale plaatstructuur met vlakke en gladde oppervlakken en een onregelmatige vorm. De vlakke grootte en dikte van de voorbereide BNP's ligt in het bereik van respectievelijk 3-5 μm en ~ 20 nm. Het typische TEM-beeld van BNP's toont over het algemeen gerimpelde vlokken met randen die gedeeltelijk zijn gevouwen of gescrolld vanwege de hoge oppervlaktespanning die nodig is voor de BNP's om zijn vlakheid te behouden, wat een aspectverhouding van 150 ~ 250 vertoont. Zoals te zien is op de SEM-afbeeldingen van MWCNT's, getoond in Fig. 1e, f, zijn hun diameter en lengte respectievelijk ~ 50 nm en 10 ~ 20 m, met een beeldverhouding van 200 ~ 400. Ondertussen vertonen de MWCNT's gladde oppervlakken en goed kroeshaar.

FE-SEM-afbeeldingen van verschillende voorbeelden van a CuNW's, c BNP's, en e MWCNT's bij lage vergroting en van b CuNW's en f MWCNT's bij hoge vergroting. TEM-afbeelding van (d ) BNP

De zuiverheid en kristalstructuur van ultralange CuNW's, BNP's en MWCNT's werden gekenmerkt door poederröntgendiffractie, die wordt getoond in Fig. 2. Het XRD-patroon van CuNW's vertoont drie diffractiepieken, overeenkomend met de {110}, { 200}, en {220} kristalvlakken van kubisch koper met een vlak gecentreerd, respectievelijk [11, 14]. Twee mogelijke CuO en Cu₂ O-onzuiverheidsfasen zijn niet gedetecteerd in onze ultralange CuNW's, wat aangeeft dat de CuNW's in de vorm van puur metaal zijn. Zoals getoond in de XRD-patronen van BNP's en MWCNT's, is het duidelijk dat de relatieve intensiteit en de 2' van diffractiepieken van BNP's en MWCNT's vergelijkbaar zijn. Beide vertonen twee karakteristieke diffractiepieken bij 2θ-waarden rond 26° en 43° die respectievelijk overeenkomen met de {002} en {101} vlakke diffracties van grafietkoolstof [31, 32].

XRD-patronen van CuNW's, BNP's en MWCNT's

De belasting en de intrinsieke thermische geleidbaarheid van verschillende vulstoffen hebben een significante invloed op de thermische geleidbaarheid en de verbetering van de thermische geleidbaarheid van polymeercomposieten. Om dit effect te onderzoeken, werden siliconencomposieten met verschillende vulstoffen bereid vanwege de goede compatibiliteit van siliconenbasis en gemakkelijke fabricage van siliconencomposieten. Figuur 3 is de verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten met ultralange CuNW's, BNP's en MWCNT's als een functie van de volumefractie. De thermische geleidbaarheid van siliconenbasis is erg laag, slechts 0,12 W/mK, terwijl de thermische geleidbaarheid van de drie composieten aanzienlijk is verbeterd in vergelijking met die van siliconenbasis. De thermische geleidbaarheid van de drie siliconencomposieten op basis van verschillende vulstoffen neemt toe met de toename van de volumefractie van vulstoffen. De thermische geleidbaarheidsverbetering van siliconencomposieten met 1,0 vol.% CuNW's, BNP's en MWCNT's zijn respectievelijk 215, 108 en 62%. Heel anders dan de elektrische geleidbaarheid van polymeercomposieten, is het een wijdverbreide opvatting onder polymeercomposieten die nanomaterialen bevatten dat er geen percolatiedrempel is in thermische geleidbaarheid. Toch is er een keerpunt waar te nemen in de thermische geleidbaarheid van alle drie de siliconencomposieten, die zich lokaliseert bij de belasting van 0,5 vol.%. Wanneer de vulstofbelasting lager is dan 0,5 vol.%, neemt de thermische geleidbaarheid van de composieten langzaam toe met de toename van de vulstofbelasting, terwijl de thermische geleidbaarheid na deze belasting aanzienlijk sneller toeneemt dan voorheen.

Thermische geleidbaarheidsverbeteringen van siliconencomposieten met verschillende vulstoffen als functie van volumefractie

De verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten met 1,0 vol.% CuNW's, BNP's en MWCNT's zijn respectievelijk 0,378, 0,251 en 0,195 W/mK (zoals weergegeven in figuur 4). Naast de experimentele resultaten toont Fig. 4 de berekende resultaten verkregen door het Nielsen-model [33], dat uit de volgende drie vergelijkingen bestaat:

waar k _c , k _s , en k _f zijn thermische geleidbaarheid van respectievelijk de composiet, siliconenbasis en vulmiddel. ϕ _f is de inhoud van het vulvolume, en ϕ _m is de maximale pakkingsfractie van de gedispergeerde vulstoffen. Voor willekeurig georiënteerde vullers, ϕ _m is gelijk aan 0,52 [33]. De parameter wordt voornamelijk bepaald door de aspectverhouding en oriëntatie van de vulstoffen. Volgens Tabel 1 van Ref [33] is er een één-op-één overeenkomst tussen de vuller-aspectverhouding Ar en de parameter A; het bereik van de hoogte-breedteverhouding van de vulstof is echter relatief klein, slechts van 2 tot 15. Om de thermische geleidbaarheid van de drie siliconencomposieten van dit werk, dat vulstoffen met grote aspectverhoudingen bevat, te berekenen, wordt de volgende regressievergelijking verkregen door gebruik te maken van de vijf gegevenssets in Tabel 1 van Ref [33].

Thermische geleidbaarheid van drie soorten vulstoffen in siliconencomposieten met de voorspellingen van het Nielsen-model

Voor de siliconencomposieten die CuNW's bevatten, is de k _s en k _f zijn ingesteld op 0,12 en 398 W/mK, en het blijkt dat de berekening goed past bij de experimentele resultaten met A = 186.1, wat overeenkomt met Ar = 350. Op dezelfde manier geldt voor siliconencomposieten die BNP's en MWCNT's bevatten, de k _f zijn ingesteld op 1000 W/mK [34] en 3000 W/mK [35], en de berekende resultaten passen goed bij de experimentele resultaten met Ar = 200 en Ar = 100, respectievelijk.

De thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten die verschillende vulstoffen bevatten, hangt af van de vorm, grootte en intrinsieke thermische geleidbaarheid van vulstoffen [30, 36, 37]. Uit figuur 3 blijkt dat de verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten met CuNW's aanzienlijk toeneemt met de toename van de volumefractie dan die van siliconencomposieten met BNP's en MWCNT's. Het maximum is tot 215% met 1,0 vol.% CuNW-belasting, veel hoger dan die van siliconennanocomposieten met dezelfde BNP's (108%) en MWCNT's (62%) belasting. Wanneer de volumefractie van vulstoffen minder dan 0,5% is, hebben de vorm, grootte en intrinsieke thermische geleidbaarheid van vulstoffen geen duidelijke invloed op de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten. Dit komt omdat de warmtegeleidende vulstoffen omgeven door siliconenbasis elkaar niet kunnen raken bij een lage vulstofbelading; daarom neemt de thermische geleidbaarheid zeer langzaam toe als gevolg van de hoge thermische contactweerstand in de composieten [30, 36]. Terwijl de belasting verder toeneemt, verschilt de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten met verschillende vulstoffen sterk, wat aangeeft dat de vorm, grootte en intrinsieke thermische geleidbaarheid van vulstoffen een significante invloed hebben op de verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten. Veel studies hebben gemeld dat de BNP's met superieure thermische geleidbaarheid en grote aspectverhouding de thermische geleidbaarheid van polymeercomposieten aanzienlijk zouden kunnen verbeteren met slechts een paar BNP's [37,38,39]. En het heeft een sterker vermogen om de thermische geleidbaarheid van polymeercomposieten te verbeteren dan MWCNT's [40, 41]. Dit fenomeen is ook waargenomen in ons onderzoek. Hoewel de intrinsieke thermische geleidbaarheid van CuNW's (398 W/mK) veel minder is dan die van BNP's (1000 W/mK) en MWCNT's (3000 W/mK) (zoals weergegeven in tabel 1), is het vermogen van ultralange CuNW's om verbetering van de thermische geleidbaarheid van siliconencomposieten is sterker dan die van BNP's en MWCNT's. Het komt door de ultralange CuNW's met een lengte van meer dan 100 m. Het kenmerk van CuNW's is hard en lineair, wat in niets lijkt op MWCNT's (glad en kroeshaar). De effectieve beeldverhouding (350) van CuNW's uit het Nielsen-model ligt in het bereik van de morfologie van SEM- en TEM-afbeeldingen, wat het voordeel van ultralange vulstof op warmteoverdracht liet zien. Maar misschien omdat MWCNT's een pluizige en kronkelende structuur hebben, is de effectieve beeldverhouding (100) van het model minder dan die van SEM en TEM. De ultralange en lineaire structuur vergemakkelijkt de vorming van bruggen onderling en zo om een ​​aantal effectieve warmtegeleidende netwerken te bouwen. Deze netwerken bieden een pad met lage weerstand naar warmtegeleiding en verhogen de algehele thermische geleidbaarheid van de composiet.