Описать влияние размера графенового микрочипа на теплопроводность графеновой бумаги.

Резюме:

Теплопроводность графена намного выше, чем у теплопроводных материалов, таких как традиционные тонкие металлические пленки, и может использоваться в качестве материалов для термодиффузии. Графеновая бумага состоит из микропластинок графена. Размер микропластинок графена оказывает важное влияние на микроструктуру метода сборки и его макроскопическую теплопроводность. Диспергированная и однородная бумага из оксида графена была приготовлена методом самосборки с фильтрацией раствора, а затем бумага из оксида графена была термически восстановлена в атмосфере ar / h2 для получения графеновой бумаги. Результаты показали, что структура графеновой бумаги, состоящей из больших графеновых микротаблеток, была более плотной и более кристаллической. Теплопроводность графеновой бумаги, изготовленной из оксида графена размером от 0,5 мкм до 3 мкм и от 50 мкм до 100 мкм, составляла 632,8 Вт / мк и 683,7 Вт / мк, соответственно, а теплопроводность графеновой бумаги, состоящей из больших графеновых микротаблеток, была увеличена. . 8%.

Ключевые слова:

Графеновая бумага; Размер графенового микрочипа; Микроструктуры; Теплопроводность

Основываясь на улучшении текущего уровня технологий промышленного производства, постепенно достигаются цели миниатюризации, высокой интеграции и высоких энергий в областях электроники, связи и энергетики, и их реализация будет продолжаться. Эта тенденция неизбежно приведет к постоянному увеличению удельной энергии установок оборудования в смежных областях. Поэтому проблема отвода тепла с высокой плотностью теплового потока стала актуальной [1-2]. Исходя из вышеизложенного, высокоэффективным двумерным термодиффузионным материалам стало уделяться большое внимание. Основной принцип работы заключается в использовании высокой теплопроводности материалов в двумерной плоскости для быстрого распространения тепла в горячих точках системы. Чтобы снизить температуру в области горячей точки, градиент температуры и внутреннее тепловое напряжение в структуре системы уменьшаются, чтобы устранить возникающую в результате термическую деформацию конструкции и уменьшить негативное влияние высокой концентрации температуры на работу системы. . Графеновые материалы обладают высокой теплопроводностью, и Ballandin et al. [3] измерил поверхностную теплопроводность графена при комнатной температуре с помощью бесконтактной оптической технологии около 5200 Вт / мК. Поверхностная теплопроводность графеновых материалов намного выше, чем у традиционных металлических пленок, таких как медь и алюминий (200-400 Вт / мк), а графеновые материалы имеют более низкую плотность и хорошую термостойкость [4]. Он имеет важную и широкую перспективу применения в области двумерных теплоотводящих материалов [5-7]. Хотя наноразмерные графеновые микротаблетки обладают отличной теплопроводностью, их трудно применять непосредственно в промышленной сфере. Наноразмерные микротаблетки графена необходимо собрать в макрографеновую бумагу. Поскольку графеновые микротаблетки трудно диспергировать в растворителях, современные способы получения графеновой бумаги в основном основаны на восстановлении бумаги из оксида графена. Процесс изготовления бумаги из оксида графена (GOP) включает в себя метод самосборки при фильтрации раствора [8], метод испарения раствора [9], метод центрифугирования [10] и так далее. GOP, основанный на процессе самосборки, обладает хорошими механическими и электрохимическими свойствами. Графеновая бумага формируется путем укладки микролистов графена. Свойства микропластинок графена имеют важное влияние на макроскопические свойства графеновой бумаги. Размер графеновых микролистов влияет не только на теплопроводность самих графеновых микролистов [13]. Влияние на сборку графеновых микролистов в графеновую бумагу и т. Д. Влияет на макроскопическую теплопроводность графеновой бумаги. В настоящее время нет общедоступных отчетов об исследовании влияния размера графеновых микротаблеток на теплопроводность графеновой бумаги, и важно изучить это правило для изготовления графеновой бумаги с высокой теплопроводностью.

1 эксперимент

1.1. В качестве основного экспериментального материала выбираются микротаблетки оксида графена двух размеров. Конкретные параметры показаны в таблице 1.

1.2 Бумага из оксида графена, приготовленная для растворения 20 мг порошка оксида графена в 40 мл жидкости н-диметилформамида, ультразвуковые колебания 30 мин, механическое перемешивание при помощи, приготовленный коллоидный раствор, концентрация оксида графена составляет 0,5 мг / мл. Была выбрана поливинилиденовая мембрана с апертурой 0,2 мкм, и бумага из оксида графена была приготовлена с использованием фильтрации с помощью циклического насоса shz-d (III). Подготовленную бумагу из оксида графена снимают и полностью сушат, удаляя содержащийся в ней ДМФ. Для простоты представления GOP, полученная из микротаблеток с оксидом графена от 0,5 до 3 мкм, помечена как sgop, а GOP, приготовленная из микротаблеток с оксидом графена от 50 до 100 мкм, помечена как lgop.

1.3 Термическое восстановление бумаги из оксида графена может улучшить структуру и регулярность бумаги из оксида графена путем применения ограничений. Чтобы улучшить качество продукта, GOP помещают между двумя кусками кварцевого стекла и помещают в трубчатую кварцевую печь для термообработки. Атмосфера обработки: смесь H2 и AR вводится из расчета 400 SCCM и 500 SCCM. Система восстановления при нагревании, как показано на Рисунке 1 (начальная скорость нагревания 5 ° C / мин, температура 230 ° C, температура 30 мин, продолжение от 5 ° C / мин до 800 ° C, 120 мин); После завершения нагрева кварцевую печь охлаждают до комнатной температуры, а продукт из восстановленной графеновой бумаги (эргоп) удаляют для тестирования и определения характеристик. Для простоты изложения, графен документ, подготовленный сокращением sgop отмечен как с <УНК> GOP, а графен документ, подготовленный сокращением LGOP отмечен как л <УНК> GOP.

1.4 Испытание характеристик характеристик образца было выполнено с помощью полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии Hitachis 4800 компании Hitachi Co., Ltd. Микроскопическая слоистая структура образцов GOP и ergop была измерена с использованием рентгеновского дифрактометра D 8 фирмы Braker, Германия. . Радиоактивные источники использовали cuk α, напряжение трубки 40 В, ток трубки 100 мА и скорость сканирования 2 град / мин. Температуропроводность поверхности графеновой бумаги измерялась с помощью лазерного проводника nix lfa447. Вычислить теплопроводность образца в соответствии с формулой (1), где СР является удельная теплоемкость образца, используют графит удельная теплоемкость, а значение равно 0,709 Дж / г · К, а <УНК> плотность образца . Его можно рассчитать, проверив массу M и объем V образца, как показано в уравнении (2). Hey = m / v (2), где объем V рассчитывается после измерения радиуса R и толщины образца (полученного с помощью сканирующей электронной микроскопии), как показано в уравнении (3). V = π × R2 × Δ (3).

2 Итоги и обсуждения

2.1 Фактографический анализ На рис. 2 (а) представлена фотография сгопа, темно-коричневого цвета с плохой светопроницаемостью; Рисунок 2 (b) представляет собой фотографию lgop, бумага, сделанная из микрочипов из оксида графена большого размера, с гладким внешним видом; Рисунки 2 (c) и 2 (d) представляют собой оптические фотографии эргопа, оба из которых имеют металлический блеск. В процессе термического восстановления кислородсодержащие функциональные группы в оксиде графена удаляются путем испускания небольших молекул газа. Выбрасываемый газ может разрушить микроструктуру GOP, поэтому складки микрочипа углубляются и шероховатость поверхности микрочипа увеличивается. Условно говоря, поверхность GOP, состоящая из крупногабаритного оксида графена, относительно плоская по качеству, и соответствующий эргоп также более полирован. Рис. 3 представляет собой фотографию, сделанную с помощью сканирующего электронного микроскопа, двух типов бумаги из оксида графена и соответствующей восстановленной при нагревании графеновой бумаги. На рисунке 3 (a) поверхность отличается от света и темноты, что указывает на то, что распределение размеров микротаблеток с оксидом графена относительно велико, а стопки микрочипов беспорядочные и недостаточно плотные, чтобы уменьшить плоскостность поверхности бумаги с оксидом графена. ; На рисунке 3 (b) показано более равномерное распределение поверхностных складок, относительно небольших межслойных складок и более плоское распространение микролистов, что указывает на то, что плоскостность поверхности микролистов оксида графена увеличивается с увеличением размера оксида графена. микролистки. На Рисунке 3 (c) на поверхности восстановленной графеновой бумаги было много более глубоких бороздок, что указывает на плохую гладкость; Как видно на Рисунке 3 (d), графеновые микрочипы полностью сложены вместе, а микропластины относительно плоские, и диаграмма сканирующего электронного микроскопа (SEM) восстановленной графеновой бумаги также может отражать эту информацию. Слоистую структуру графеновой бумаги можно увидеть на рисунках 3 (E) и 3 (f), на которых защелки уложены неплотно, а графеновые микропласты искривлены; Графеновые микрочипы в срезании плотно уложены друг на друга и обладают высокой степенью гладкости. Вышеупомянутые экспериментальные явления можно объяснить процессом самосборки раствора графена, как показано на рисунке 4. Микротаблетки графена подвергаются воздействию различных сил во время процесса самосборки, таких как гравитация, электростатическая сила, межмолекулярная сила. , и диффузия. В жидкости с низкой вязкостью на нее в основном влияет сила тяжести; Микротаблетки из оксида графена большого размера имеют большую долю большой толщины и легко образуют регулярные стопки; При небольшом размере оксида графена при большой толщине соотношение углерода и кислорода небольшого графена высокое, степень функционализации высока, а сила более сложная, что затрудняет достижение упорядоченного накопления. Во время процесса фильтрации раствор небольшого оксида графена быстро фильтруется, и весь процесс занимает всего около 30 минут; Большие количества раствора оксида графена фильтруются медленно, и для полной фильтрации раствора требуется 24 часа. Это показывает, что структура сгопа рыхлая, стопка микротаблеток оксида графена разбросана, и в сгопе больше каналов для циркуляции жидкости; Структура ткани в лгопе плотная, оксид графена накапливается плотно, а каналов циркуляции жидкости в лгопе мало.

2,2 х <УНК> D Анализ дифракции рентгеновских лучей на карты GOP и ergop, соответственно, в соответствии с Пражским уравнением 2dsin & thetas; = nλ (D представляет собой расстояние между кристаллической плоскостью, θ представляет собой угол дифракции, N является серия дифракции , λ - длина волны рентгеновских лучей). В соответствии со значением 2θ поверхности кристалла GOP или эргоп (002), расстояние между их слоями D может быть вычислено, как показано в таблице 2. Ширина пика и гладкость GOP соответствуют. Значения 2θ GOP, полученного микропланшетами из оксида графена с размерами от 0,5 мкм до 3 мкм и от 50 мкм до 100 мкм, составляют 10,456 ° и 9,607 °, соответственно. Расстояние между слоями составляет 0,845 нм и 0,920 нм, соответственно, что означает, что микротаблетки Moene в GOP удаляются из-за присутствия кислородсодержащих функциональных групп, образуя большое расстояние между слоями. Когда оксид графена восстанавливается до графена, значения 2θ для двух эргопов составляют 26,522 ° и 26,460 ° соответственно, а расстояние между слоями составляет 0,336 нм и 0,337 нм соответственно, что близко к расстоянию между кристаллами графита (0,335 нм). Размер оксида графена в основном уменьшен до графена. Форма пика дифракционного пика лергопа стала более острой и усиленной, что указывает на то, что во время восстановления графена до графена при окислении большого размера кислородсодержащие функциональные группы, распределенные на поверхности оксида графена, были удалены, восстановление решетки и микро конструкции были улучшены. Форма пика дифракционного пика S ergo стала более пологой, а его сила уменьшилась, что свидетельствует о том, что при восстановлении графена до графена малых размеров структура становится более хаотичной и регулярность уменьшается. Поскольку небольшие кусочки графена с большей вероятностью будут выталкиваться газом, выделяющимся во время процесса восстановления, это нарушает первоначально относительно упорядоченную структуру.

2.3 Анализ теплопроводности. Плотность эргопа, полученного из микротаблеток оксида графена двух разных размеров, составляет 1,79 г / см3 и 2,04 г / см3 соответственно. Результаты испытаний коэффициента термодиффузии и теплопроводности показаны в таблице 3. Как видно из таблицы 3, теплопроводность srago и lrago составляла 632,8 и 683,7 Вт / м2 соответственно, а теплопроводность lrago увеличивалась. на 8%. Среди них плотность лергопа увеличилась на 14%, а коэффициент термодиффузии лергопа не увеличился. Графеновая бумага, изготовленная из графеновых микротаблеток большого размера, имеет более высокую теплопроводность, в основном из-за более регулярной структуры графеновой бумаги, собранной из графеновых микролистов большого размера, которые могут создавать более плотные материалы. Со временем улучшите теплопроводность материала.

3 Заключение

Посредством способа сборки с фильтрацией раствора микротаблетки из оксида графена, которые равномерно диспергированы в растворе, последовательно собираются для получения равномерно диспергированной бумаги из оксида графена, а графеновая бумага с видимым образованием получается путем восстановления при термообработке. Было изучено влияние размера графена на микроструктуру и теплопроводность графеновой бумаги, и были получены следующие выводы:

1) Размер микрочипа из оксида графена увеличился, структура бумаги из оксида графена стала более плотной, а шероховатость поверхности уменьшилась. После термического восстановления соответствующая микроструктура графеновой бумаги становится более упорядоченной.

2) Высокотемпературная восстановительная обработка значительно уменьшила расстояние между слоями бумаги из оксида графена. Расстояние между микролистами графена разных размеров было незначительным, и все они были близки к 0,335 нм, но микроструктуры графеновой бумаги с большими микрочастицами были более упорядоченными.

3) Теплопроводность восстановленной графеновой бумаги, полученной из двух размеров микропленок оксида графена, составляла 632,8 и 683,7 Вт / мк, соответственно, а теплопроводность графеновой бумаги, состоящей из больших микротаблеток, увеличилась на 8%. Это связано с тем, что большой графен накапливается в структуры графеновой бумаги, которые более упорядочены и имеют большую плотность.

Страница содержит содержимое машинного перевода.