Термоинтерфейсные материалы с графеном и удовлетворительным уровнем контакта между матрицей и наполнителями

Фон

Термоинтерфейсные материалы (ТИМ) стали одной из горячих проблем в последнее десятилетие из-за возрастающих требований к рассеиванию тепла высокоинтегрированных электронных устройств [1,2,3,4]. По сравнению с традиционными наполнителями (такими как SiC, Al ₂ О ₃ , и BN), графен открывает многообещающие перспективы для модификации эпоксидной смолы (ER) на основе его выдающейся высокой теплопроводности (5000 Вт · м ⁻¹ К ^-1 для монослойного образца) [5]. Как правило, массовая доля традиционных наполнителей должна превышать 50% для удовлетворения фактического спроса, что приводит к плохим механическим характеристикам получаемых композитов. Напротив, низкая доля наполнителя из восстановленного оксида графена (RGO) (~ 20 мас.%) Обеспечивает высокую теплопроводность (~ 4 Вт · м ^-1 К ^-1 ) для составных ТИМов. Согласно отчетам Баландина и Лу, коэффициенты увеличения теплопроводности достигают ~ 2000% после добавления модификатора RGO, а наблюдаемые механические свойства соответствуют требованиям для практического применения [6, 7]. Более того, Chen et al. обнаружили, что графен и углеродные нанотрубки можно использовать для дальнейшего улучшения тепловых характеристик ТИМов одновременно [8, 9].

Однако высокая плотность дефектов и плохая сплошность RGO (из-за бурных окислительно-восстановительных реакций) ограничивают дальнейшее улучшение конечных тепловых характеристик [10]. На основе отчета группы Се выявлены механизмы рассеяния фононов на вакансиях в объемных и двумерных материалах [11]. Для двумерного наполнителя RGO недостающая масса и недостающие связи, вызванные дефектами, оказывают негативное влияние на перенос фононов. С другой стороны, хотя трехмерные графеновые сети (3DGN), полученные методом химического осаждения из газовой фазы, обладают высоким качеством, отсутствие эффективной связи для достижения благоприятного контакта между базисной плоскостью графена и ER препятствует переносу фононов в их интерфейс [12]. Недавно мы обнаружили, что правильная плотность дефектов 3DGN благоприятна для условий контакта интерфейса (играет ту же роль, что и поверхностные функциональные группы RGO), но процесс управления довольно сложен [13]. Совсем недавно RGO и 3DGN были приняты нашей группой в качестве комодификатора для улучшения тепловых характеристик TIM [14]. Однако конечные тепловые характеристики все еще далеки от ожиданий, поскольку синергия между этими двумя наполнителями является труднодостижимой.

В этом исследовании изготавливаются наполнители RGO с оптимизированными поверхностными функциональными группами (включая общее количество и типы) и используются с 3DGN для композитных TIM. В этом случае 3DGN обеспечивают быструю транспортную сеть для фононов, в то время как RGO действует как мост, соединяющий базальную плоскость графена и ER. Выявлено влияние типов поверхностных функциональных групп RGO и проведен соответствующий оптимизационный проект. Результирующая теплопроводность достигает 6,7 Вт · м ⁻¹ . К ^-1 за счет использования оптимизированного наполнителя RGO, который на 25% выше, чем у ранее описанных ТИМов на основе графена [7, 10]. Помимо влияния на тепловые характеристики, также обсуждаются соответствующие влияния на механические свойства получаемых ТИМ от функциональных групп RGO.

Результаты и обсуждение

СЭМ-изображения исходных RGO, 3DGN и результирующих TIM показаны на рис.1, а готовые составные TIM демонстрируют гладкий внешний вид (цифровые фотографии ER, наполнителя RGO и RGO-3DGNs-ER поставляются в Рис. 1e – g). В отличие от RGO, размер морщин на поверхности 3DGN намного больше (рис. 1а, б). Что касается образца RGO, наличие морщин является спонтанным для повышения его стабильности, а несоответствие между коэффициентами теплового расширения графеновой и никелевой подложки приводит к появлению морщин на 3DGN. Шероховатая поверхность с явными порами и трещинами может быть видна на исходном ER, что свидетельствует о плохой теплопроводности (рис. 1c, изменение силовой постоянной в результате вакансий ER приводит к плохой теплопроводности) [11]. Напротив, эти трещины (образующиеся в процессе затвердевания) исчезают после добавления графенового наполнителя, что согласуется с нашими предыдущими сообщениями [10, 12]. Более того, частичные наполнители RGO можно увидеть на поверхности образцов RGO-ER (рис. 1d-f), в то время как некоторые явные вогнуто-выпуклые (вызванные внутренними 3DGNs) появляются на поверхности 3DGNs-ER (рис. 1г). Обе эти характеристики можно увидеть на примере совместно модифицированного RGO и 3DGN (рис. 1h). Присутствие 3DGN ясно видно из поперечного сечения изображений SEM (вставки на рис. 1h).

СЭМ-изображения a RGO (OOH), b 3DGN, c нетронутая ER, d RGO (OOH) -ER, e RGO (ОН) -ER, f RGO (O) -ER, g 3DGNs-ER и h 3ДГНС-РГО (О) -ЭР. Цифровые фотографии ЭР, наполнителя РГО и РГО-3ДГНс-ЭР находятся на вкладках д . - г , а все масштабные линейки соответствуют 2 см. Поперечное сечение изображений SEM показано на вставках h . . СЭМ-изображения исходных RGO, 3DGN и результирующих TIM показаны на рисунке, а готовые составные TIMs демонстрируют гладкий внешний вид (цифровые фотографии ER, наполнителя RGO и RGO-3DGNs-ER представлены в е - г ). В отличие от RGO, размер морщин на поверхности 3DGN намного больше ( a , b ). Что касается образца RGO, наличие морщин является спонтанным для повышения его стабильности, а несоответствие между коэффициентами теплового расширения графеновой и никелевой подложки приводит к появлению морщин на 3DGN. Шероховатая поверхность с явными порами и трещинами видна из нетронутого ER, что свидетельствует о плохой теплопроводности ( c изменение силовой постоянной из-за вакансий ЭП приводит к плохой теплопроводности) [11]. Напротив, эти трещины (образующиеся в процессе затвердевания) исчезают после добавления графенового наполнителя, что согласуется с нашими предыдущими сообщениями [10, 12]. Кроме того, частичные наполнители RGO можно увидеть на поверхности образцов RGO-ER ( d - е ), в то время как некоторые очевидные вогнутые-выпуклые (вызванные внутренними 3DGNs) появляются на поверхности 3DGNs-ER ( g ). Обе эти характеристики можно увидеть на примере совместной модификации RGO и 3DGN ( h ). Присутствие 3DGN ясно видно из поперечного сечения изображений SEM (вставки h )

Чтобы выявить влияние общего количества и типа поверхностных функциональных групп RGO, для модификации TIM используются различные наполнители RGO. Кривые комбинационного рассеяния этих использованных образцов RGO и 3DGN записаны (рис. 2), и могут быть обнаружены некоторые заметные различия в относительных интенсивностях пиков D, G и 2D. Соответствующая кривая природного графита также записана для сравнения. Высокое качество 3DGN подтверждается отсутствием пика D на соответствующей кривой, аналогичного таковому для природного графита. Напротив, заметный пик D появляется на профиле образца GO из-за дефектов, внесенных в процессе окисления. Более того, отсутствие 2D-пика подтверждает эту точку зрения. После процесса восстановления интенсивность D-пика значительно уменьшается, и 2D-пик снова появляется на кривых образцов RGO. На основе отношения интегральной интенсивности I _D / Я _G , плотности дефектов этих принятых образцов графена могут быть рассчитаны (все результаты и подробный расчет приведены в Дополнительном файле 1:Таблица S1) [15, 16]. После анализа этих кривых было обнаружено, что положение полосы G природного графита и 3DGN находится на 1580 см ⁻¹ , которые сдвигаются на 1600 см ⁻¹ для RGO, что подтверждает более высокое качество 3DGN по сравнению с RGO [17, 18]. Чтобы получить больше информации о поверхностных функциональных группах RGO, рентгенограммы и рентгенограммы записываются и рассчитываются соответствующие типы и соотношения различных поверхностных функциональных групп (дополнительный файл 1:рисунки S1, S2 и таблица S2) [10, 12]. Регулируя процессы окисления и восстановления, можно добиться избирательного удержания различных функциональных групп (включая карбоксильные, гидроксильные и эпоксидные группы) [19].

Кривые комбинационного рассеяния природного графита и различных графеновых наполнителей. Кривые комбинационного рассеяния для этих использованных образцов RGO и 3DGN записаны, и могут быть обнаружены некоторые заметные различия в относительных интенсивностях пиков D, G и 2D. Соответствующая кривая природного графита также записана для сравнения. Высокое качество 3DGN подтверждается отсутствием пика D на соответствующей кривой, аналогичного таковому для природного графита. Напротив, заметный пик D появляется на профиле образца GO из-за дефектов, внесенных в процессе окисления. Более того, отсутствие 2D-пика подтверждает эту точку зрения. После процесса восстановления интенсивность D-пика значительно уменьшается, и 2D-пик снова появляется на кривых образцов RGO. На основе отношения интегральной интенсивности I _D / Я _G , плотности дефектов этих принятых образцов графена могут быть рассчитаны (все результаты и подробный расчет приведены в Дополнительном файле 1:Таблица S1) [15, 16]. После анализа этих кривых было обнаружено, что положение полосы G природного графита и 3DGN находится на 1580 см ⁻¹ , которые сдвигаются на 1600 см ⁻¹ для RGO, подтверждая более высокое качество 3DGN по сравнению с RGO [17, 18]

Значения теплопроводности полученных образцов ТИМ показаны на рис. 3, и полученные термические свойства тесно связаны с принятым образцом ВОГ. По сравнению с образцами, использующими RGO (OH) и RGO (O), композит с RGO (OOH) показывает лучшие характеристики. Коэффициент теплопроводности (5,5 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ) последнего примерно на ~ 12% выше, чем у первого (массовая доля наполнителя составляет 20 мас.%), что доказывает, что типы поверхностных функциональных групп RGO оказывают существенное влияние на конечные термические характеристики материала. составные TIM. Теплопроводность свежеприготовленного RGO (OOH) -3DGNs-ER сравнивается с теплопроводностью ранее описанного ER с использованием графена (вставка на рис. 3), подразумевая, что использование RGO (OOH) важно для достижения высоких характеристик [ 6, 7, 10, 14, 20, 21, 22, 23]. Теплопроводность еще больше увеличивается после добавления 3DGN (6,1 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ), что указывает на то, что добавление 3DGN и избирательное удержание функциональных групп RGO являются определяющими для итоговой теплопроводности.

Теплопроводность различных готовых композитных ТИМов при увеличении массовой доли графеновых наполнителей. Теплопроводность полученных образцов ТИМов показана на рисунке, а полученные термические свойства тесно связаны с принятым образцом ВОГ. По сравнению с примерами использования RGO (OH) и RGO (O), композит с RGO (OOH) показывает лучшие характеристики. Коэффициент теплопроводности (5,5 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ) последнего примерно на ~ 12% выше, чем у первого (массовая доля наполнителя составляет 20 мас.%), что доказывает, что типы поверхностных функциональных групп RGO оказывают существенное влияние на конечные термические характеристики материала. составные TIM. Теплопроводность свежеприготовленного RGO (OOH) -3DGNs-ER сравнивается с теплопроводностью ранее описанного ER с использованием графена (вставка рисунка), подразумевая, что использование RGO (OOH) важно для достижения высоких характеристик [6 , 7, 10, 14, 20,21,22,23]. Теплопроводность еще больше увеличивается после добавления 3DGN (6,1 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ), что указывает на то, что добавление 3DGN и избирательное удержание функциональных групп RGO являются определяющими для итоговой теплопроводности

Сопротивление границы раздела фаз ( δ ) является важным параметром для оценки состояния контактов интерфейса. Согласно теории Баландина [24], теплопроводность ТИМов, модифицированных графеном, может быть рассчитана по следующему уравнению:

где p представляет собой объемный процент графенового наполнителя и K , К _г , и K _e - теплопроводности полученного композита, графена и ER соответственно. H и δ - толщина графена и тепловое сопротивление границы между графеном и ER, соответственно. На основании относительных расчетов установлено, что δ сильно зависит от конкретных поверхностных функциональных групп принятого RGO (перечисленных в Таблице 1), и наименьшее значение получено для образца с использованием RGO (OOH). Эти результаты согласуются с результатами по теплопроводности, подтверждая, что типы функциональных групп RGO оказывают значительное влияние на уровень контакта между матрицей и наполнителем. Как мы знаем, карбоксильная группа будет реагировать с эпоксидной группой при средней температуре, и химическая связь будет образовываться между RGO (OOH) и ER в процессе затвердевания (110 ° C) [14, 25]. Более того, степень восстановления RGO тесно связана с результирующими тепловыми характеристиками. Группа Вана доказала, что функциональные группы графена могут уменьшить фононное несоответствие и повысить эффективность переноса тепла между базисной плоскостью графена и ER в теории [26]. Наша группа сообщила о взаимосвязи между общим количеством функциональных групп RGO и результирующей теплопроводностью RGO-ER [19]. Недостаточное количество функциональных групп не может обеспечить эффективный мост для улучшения условий контакта интерфейса, в то время как функцию избыточных функциональных групп можно игнорировать, поскольку общее количество фононов ограничено. Недавно группа Манчадо и группа Араги сообщили об аналогичном влиянии функциональной группы RGO на другие органические композиты [27, 28]. После оптимизации общего количества поверхностных функциональных групп (отношение атомов углерода элемента к функциональным атомам углерода в RGO составляет C _{элемент} : C _{функциональный} =1,94:1) теплопроводность увеличивается до 6,3 Вт · м ⁻¹ К ^-1 .

Согласно уравнению Баландина, на результирующую теплопроводность также влияют морфологические параметры графенового наполнителя. Группа Фу оптимизировала морфологию используемых RGO (нанопластинок), что привело к высоким тепловым характеристикам (4,01 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ) [7]. Кроме того, наша группа подробно обсудила влияние среднего размера и толщины принятого RGO [10]. Рекомендуются средний размер (> 100 нм) и толщина (~ 2 нм), а теплопроводность полученного ТИМ увеличивается до 6,7 Вт · м ⁻¹ . К ^-1 (что на 25% выше ранее заявленных значений) [7, 10]. Согласно полученным данным (рис. 4а), влияние на результирующую теплопроводность от среднего размера RGO более заметно, чем влияние толщины наполнителя, подразумевая, что площадь контакта между базисной плоскостью графена и ER составляет детерминант полученной производительности. Наконец, массовые пропорции между 3DGN и RGO оптимизированы (10 мас.% Для 3DGN и 20 мас.% Для RGO; хотя теплопроводность полученных TIM почти линейно увеличивается с увеличением массовой доли графенового наполнителя, тем выше массовая доля наполнителя приведет к плохой адгезии полученных ТИМов) для достижения синергизма между ними. Высокая стабильность тепловых характеристик при высоких температурах жизненно важна для TIM, чтобы гарантировать, что электронные устройства работают в нормальном состоянии. Теплопроводность свежеприготовленных ТИМов с различными массовыми долями RGO (OOH) при температуре ниже 50 ° C приведена на рис. 4b, и через 7 дней не наблюдается заметной деградации, что указывает на многообещающую перспективу практического применения.

а Взаимосвязь между тепловыми характеристиками и морфологией RGO с увеличенной массовой долей наполнителя b стабильность теплопроводности полученных ТИМов с различной массовой долей наполнителя РГО при температуре 50 ° С в течение длительного времени. Согласно уравнению Баландина, на результирующую теплопроводность также влияют морфологические параметры графенового наполнителя. Группа Фу оптимизировала морфологию используемых RGO (нанопластинок), что привело к высоким тепловым характеристикам (4,01 Вт · м ⁻¹ К ^-1 ) [7]. Кроме того, наша группа подробно обсудила влияние среднего размера и толщины принятого RGO [10]. Рекомендуются средний размер (> 100 нм) и толщина (~ 2 нм), а теплопроводность полученного ТИМ увеличивается до 6,7 Вт · м ⁻¹ . К ^-1 (что на 25% выше ранее заявленных значений) [7, 10]. Согласно полученным данным ( a ), влияние среднего размера RGO на результирующую теплопроводность более заметно, чем влияние толщины наполнителя, подразумевая, что площадь контакта между базисной плоскостью графена и ER является определяющим фактором для полученных характеристик. Наконец, массовые пропорции между 3DGN и RGO оптимизированы (10 мас.% Для 3DGN и 20 мас.% Для RGO; хотя теплопроводность полученных TIM почти линейно увеличивается с увеличением массовой доли графенового наполнителя, тем выше массовая доля наполнителя приведет к плохой адгезии полученных ТИМов) для достижения синергизма между ними. Высокая стабильность тепловых характеристик при высоких температурах жизненно важна для TIM, чтобы гарантировать, что электронные устройства работают в нормальном состоянии. Теплопроводность свежеприготовленных ТИМов с различными массовыми долями RGO (OOH) при температуре ниже 50 ° C приведена в b . , и через 7 дней не наблюдается заметной деградации, что указывает на многообещающие перспективы для практического применения

Помимо высокой теплопроводности, очень важны хорошие механические характеристики для крупномасштабного использования предварительно подготовленных ТИМов. Высокие внутренние механические свойства графена могут быть сохранены в 3DGN из-за его относительно большого размера и непрерывной структуры между листами графена. Предел прочности (соотношение деформаций и напряжений) и пределы растяжения исходного ER и результирующих TIMs записываются (перечислены в таблице 2; массовые доли используемых наполнителей RGO и 3DGN составляют 5 мас.%). Согласно отчетам Dermani ’group и Zhu’s group, наличие поверхностных функциональных групп наполнителя RGO тесно связано с предельной прочностью полученных TIM [29, 30]. В этом исследовании композит RGO (OOH) -3DGNs-ER демонстрирует лучшие характеристики, указывая на то, что химический контакт между RGO (OOH) и ER сильнее, чем у других композитов. Предел прочности образца с добавкой RGO (OOH) на ~ 10% выше, чем у других ТИМов. Точно так же его предел растяжения достигает 280%, что намного лучше, чем у исходного ER. Следовательно, карбоксильные группы на поверхности RGO не только действуют как мост, способствуя переносу фононов между наполнителем и матрицей, но также придают TIM хорошие механические характеристики из-за тесного химического контакта на основе этих функциональных групп. Кроме того, клейкость - еще одно важное свойство TIM. Модуль Юнга и прочность на сдвиг исходного ER и образцов, модифицированных графеном, протестированы и перечислены в таблице 3. Как мы видим, соответствующие характеристики 3DGNs-ER уступают характеристикам исходного ER из-за плохого интерфейса. сила сцепления между 3DGNs и ER. Точно так же характеристики образцов с RGO (O) - и RGO (OH) не так хороши, как у чистого ER (из-за агломерации нанолистов RGO), что соответствует предыдущим отчетам [31 , 32,33]. Согласно исследованию Salom et al., Лучшая прочность соединения может быть достигнута, когда используется низкая массовая доля наполнителя RGO, чтобы избежать чрезмерной агломерации [33]. Однако низкая доля графенового наполнителя приводит к плохим тепловым характеристикам. Напротив, прочность соединения RGO (OOH) -3DGNs-ER сравнима с прочностью соединения чистого ER, демонстрируя, что конечная адгезионная прочность зависит от типа функциональной группы используемого наполнителя RGO. Основываясь на результатах испытаний, карбоксильная группа, а не гидроксильная и эпоксидная группы оказывает положительное влияние на механические и адгезионные свойства готовых ТИМов. Наполнитель RGO (OOH) играет ключевую роль в улучшении уровня контакта интерфейса между базальной плоскостью графена и ER.

Методы

Материалы

Природный графит и ацетон были получены от Aladdin Co., Ltd. ER, а отвердитель был коммерчески приобретен от Sanmu Co. Ltd. (Сучжоу, Китай). Нитрат серебра, карбонат калия, этанол, гидроксид натрия, пятиокись фосфора, хлоруксусная кислота, соляная кислота, перманганат калия, пероксид гидразина и серная кислота были закуплены на Пекинском заводе химических реагентов (Пекин, Китай). Метилэтилкетон и гидроксид натрия были получены от Shanghai Chemical Reagent Co. Ltd. (Шанхай, Китай). Для приготовления всех водных растворов использовалась деионизированная вода (удельное сопротивление 18 МОм · см).

Подготовка

Образцы оксида графена (GO) готовятся с помощью модифицированного метода Хаммера и подхода, описанного Жангом, и основными группами являются карбоксил и гидроксил, соответственно [34, 35]. Основное отличие подхода Чжана от метода Хаммера заключается в том, что для первого необходим только один процесс окисления. Вкратце, 1,0 г природного графита добавляют в 35 мл H ₂ . SO ₄ (98 мас.%) С последующим добавлением 1,2 г KMnO ₄ . Суспензию перемешивают в течение 72 часов для полного взаимодействия с H ₂ . SO ₄ интеркаляция. Затем добавляют 10,0 мл деионизированной воды и нагревают до 70 ° C. Затем 10,0 мл H ₂ О ₂ (30 мас.%) Вводят при перемешивании (5 ч). Наконец, центрифугирование и промывка выполняются для получения образцов GO. Различные восстановители, включая спирт и гидразин, используются для восстановления образцов GO с селективными функциональными группами. Вкратце, 20 мг образца GO диспергируют в 50 мл этиленгликоля и проводят 60-минутную обработку ультразвуком. Затем суспензию нагревают до 160 ° С в течение 5 ч при интенсивном перемешивании. После последующего центрифугирования образец трижды промывают деионизированной водой. Наконец, полученную пасту сушат при 60 ° C в вакуумной печи (как карбоксильные, так и гидроксильные группы сохраняются, а эпоксидные группы удаляются). Что касается использования гидразина, все функциональные группы удаляются без селективности. Вкратце, 2 мл гидразина добавляют к 30 мл раствора GO (2 мг мл ^-1 ) по каплям при 98 ° C и выдерживали 4 ч. Кроме того, гидроксид натрия и хлоруксусная кислота используются для дальнейшего контроля образцов RGO с заданными функциональными группами [19, 24]. RGO (OOH):образец природного графита получают модифицированным методом Хаммера и затем восстанавливают спиртом. RGO (OH):образец природного графита получают методом Чжана и затем восстанавливают спиртом. RGO (O):сначала образец природного графита готовится модифицированным методом Хаммера. После этого гидроксильные группы переходят в карбоксильную группу. Вкратце, гидроксид натрия (1,2 г) и хлоруксусная кислота (1,0 г) добавляют к суспензии RGO (30 мл, 1 мг мл ^-1 ) и смесь обрабатывают ультразвуком в течение 2 часов. Наконец, карбоксильные группы промежуточного продукта удаляются нитратом серебра и карбонатом калия по описанному Ду и др. Методу [36]. Подготовка ТИМов была описана в наших предыдущих отчетах [14, 19]. На первом этапе образец RGO диспергируют в воде (добавляют лизоцим и значение pH раствора доводят до 10) [19] и обрабатывают ультразвуком в течение 10 мин. Затем хорошо диспергированный образец RGO выливают в ER при умеренном перемешивании в течение 10 мин. После перемешивания композит отверждают при 110 ° C в течение 2 часов. Образец 3DGN приготовлен методом химического осаждения из газовой фазы [13]. Вкратце, пеноникель нагревают до 1100 ° C в атмосфере Ar (300 см3 / мин) и H ₂ . (150 sccm) атмосфера с 20 ° C мин ^-1 скорость нагрева в трубчатой ​​печи для уменьшения границ зерен подложки. Затем небольшое количество CH ₄ (10 sccm) вводят на 2 мин. После этого образцы охлаждаются до комнатной температуры в атмосфере Ar (300 sccm) и H ₂ . (200 sccm) атмосферы, а скорость охлаждения составляет 1 ° C с ^-1 , соответственно. Приготовление образцов, модифицированных 3DGN, описано в наших предыдущих отчетах [10, 12, 14]. Вкратце, определенное количество 3DGN помещается в форму, а затем эпоксидная смола, включающая отвердитель, капает на поверхность 3DGN. После нанесения слоя эпоксидной смолы (покрывается 3DGN), снова добавляются некоторые 3DGN. Наконец, смесь 3DGNs – эпоксидная смола отверждается при 110 ° C в течение 5 часов. Получение совместно модифицированного композита 3DGN и RGO аналогично приготовлению образца, модифицированного 3DGN, с заменой чистого ER на ER с добавлением RGO (массовая доля RGO составляет 5–20 мас.%). Средний размер образца RGO можно отрегулировать, добавив обработку ультразвуком (0–12 ч).

Характеристика

Морфологические изображения наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, FEI Sirion 200, работающий при 5 кВ). Рамановские спектры снимали на рамановском микроспектрометре LabRam-1B при длине волны 532 нм. Профили рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) были записаны на системе PHI-5000C ESCA, модернизированной RBD. Лазерный импульсный анализ (LFA 2000, Linseis, Германия) и дифференциальная сканирующая калориметрия (Diamond DSC, PerkinElmer) использовались для определения тепловых характеристик композитов. Теплопроводность приготовленных композитов рассчитывается по следующему уравнению: k = α ∗ ρ ∗ C _P где k , α , ρ , и C _p представляют собой теплопроводность, коэффициент термодиффузии, плотность и удельную теплоемкость композитов соответственно. Данные α и C _p могут быть обнаружены непосредственно с помощью лазерного импульсного анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии. Механические свойства этих композитов регистрировали с помощью прибора динамического механического термического анализа (DMTA, Triton Instrument, UK). Модуль Юнга анализировали в режиме двойного изгиба кантилевера с использованием прибора DMTA (Triton Instrument, UK). Значения прочности соединений подготовленных образцов и исходного ER были извлечены путем испытания на сдвиг за один проход по стандарту ASTM D1002-01 с прибором DMTA (Triton Instrument, UK). Вкратце, алюминиевые детали (100 × 25 × 2 мм ³ ) были собраны в одинарные стыковые соединения внахлестку с длиной перекрытия 12,5 мм. Толщина TIM была ограничена до 0,2 мм ± 0,04 мм, а размер стыка внахлест регулировался до 25 × 12,5 мм ² . . Перед испытанием прочности соединения проводится процесс обработки поверхности для удаления пыли и жира с алюминиевых поверхностей [33]. Алюминиевые детали были обработаны абразивно-струйной очисткой, процессом обезжиривания (с использованием метилэтилкетона) и процессом травления (с использованием раствора NaOH (100 г л ^-1 ) при 60 ° C в течение 5 мин).

Выводы

RGO и 3DGN были адаптированы для модификации ER, чтобы улучшить тепловые характеристики полученных TIM. Контролируя типы функциональных групп на поверхности ВОГ, выявляется соответствующее влияние на уровень контакта интерфейса. Среди всех готовых ТИМов RGO (OOH) демонстрирует лучшие характеристики из-за высокой реакционной активности карбоксильной группы (из RGO) и эпоксидной группы (из ER) во время процесса отверждения. Кроме того, морфология (включая средний размер и толщину) наполнителя RGO также регулируется для дальнейшего улучшения термических свойств. После соответствующей оптимизации теплопроводность полученного RGO (OOH) -3DGNs-ER достигает 6,7 Вт · м ⁻¹ . К ^-1 , что на 3250% выше исходной ER. 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.

Сокращения

3DGNs:

Three-dimensional graphene networks

C _p :

Specific heat

DMTA:

Dynamic mechanical thermal analysis

DSC:

Differential scanning calorimetry

ER:

Epoxy resin

GO:

Оксид графена

k :

Thermal conductivity

RGO:

Reduced graphene oxide

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:

Сканирующий электронный микроскоп

TIMs:

Thermal interface materials

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

α :

Thermal diffusion coefficient

ρ :

Density