Beschreiben Sie den Einfluss der Größe des Graphen-Mikrochips auf die Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier

Zusammenfassung:

Die Wärmeleitfähigkeit von Graphen ist viel höher als die von wärmeleitenden Materialien wie herkömmlichen Metalldünnfilmen und kann als Wärmediffusionsmaterial verwendet werden. Graphenpapier besteht aus Graphen-Mikroblättern. Die Größe von Graphen-Mikroschichten hat einen wichtigen Einfluss auf die Mikrostruktur ihrer Montagemethode und ihre makroskopische Wärmeleitfähigkeit. Das dispergierte und gleichmäßige Graphenoxidpapier wurde durch das Lösungsfiltrations-Selbstorganisationsverfahren hergestellt, und dann wurde Graphenoxidpapier in der ar / h 2 -Atmosphäre thermisch reduziert, um Graphenpapier zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Struktur von Graphenpapier aus großen Graphen-Mikrotabletten dichter und kristalliner war. Die Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier, hergestellt aus Graphenoxid von 0,5 & mgr; m bis 3 & mgr; m und 50 & mgr; m bis 100 & mgr; m, betrug 632,8 w / mk bzw. 683,7 w / mk, und die Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier, das aus großen Graphen-Mikrotabletten zusammengesetzt war, wurde erhöht . 8%.

Schlüsselwörter:

Graphenpapier; Graphen-Mikrochip-Größe; Mikrostrukturen; Wärmeleitfähigkeit

Basierend auf der Verbesserung des derzeitigen Niveaus der industriellen Fertigungstechnologie werden die Ziele der Miniaturisierung, der hohen Integration und der hohen Energie in den Bereichen Elektronik, Kommunikation und Energie schrittweise erreicht und werden weiter verfolgt. Dieser Trend wird unweigerlich zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Energiedichte von Anlageninstallationen in verwandten Bereichen führen. Daher ist das Problem der Wärmeableitung mit hoher Wärmeflussdichte zu einem dringenden Problem geworden [1-2]. Vor diesem Hintergrund haben die hocheffizienten zweidimensionalen Wärmediffusionsmaterialien begonnen, umfassende Aufmerksamkeit zu erhalten. Das Hauptarbeitsprinzip besteht darin, die hohe Wärmeleitfähigkeit der Materialien in der zweidimensionalen Ebene zu nutzen, um die Wärme schnell in den Hot-Spot-Bereichen des Systems zu verteilen. Um die Temperatur des Hot-Spot-Bereichs zu verringern, werden der Temperaturgradient und die interne thermische Belastung in der Systemstruktur verringert, um die resultierende strukturelle thermische Verformung zu beseitigen und die negativen Auswirkungen der hohen Temperaturkonzentration auf den Betrieb des Systems zu verringern . Graphenmaterialien weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und Ballandin et al. [3] gemessen die Oberflächenwärmeleitfähigkeit von Graphen bei Raumtemperatur durch berührungslose optische Technologie von etwa 5200 W / mk. Die Oberflächenwärmeleitfähigkeit von Graphenmaterialien ist viel höher als die herkömmlicher Metallfilme wie Kupfer und Aluminium (200-400 W / mk), und Graphenmaterialien weisen eine geringere Dichte und eine gute Wärmestabilität auf [4]. Es hat eine wichtige und breite Anwendungsperspektive auf dem Gebiet der zweidimensionalen Wärmeableitungsmaterialien [5-7]. Obwohl die nanoskaligen Graphen-Mikrotabletten eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist es schwierig, sie direkt im industriellen Bereich anzuwenden. Nanoskalige Graphen-Mikrotabletten müssen zu Makro-Graphen-Papier zusammengesetzt werden. Da Graphen-Mikrotabletten in Lösungsmitteln schwer zu dispergieren sind, basiert die derzeitige Herstellung von Graphenpapier hauptsächlich auf der Reduktion von Graphenoxidpapier. Das Herstellungsverfahren für Graphenoxidpapier (GOP) umfasst das Lösungsfiltrations-Selbstorganisationsverfahren [8], das Lösungsverdampfungsverfahren [9], das Schleuderbeschichtungsverfahren [10] usw. Die auf dem Selbstorganisationsprozess basierende GOP weist gute mechanische und elektrochemische Eigenschaften auf. Das Graphenpapier wird durch Stapeln von Graphen-Mikroblättern gebildet. Die Eigenschaften von Graphen-Mikroschichten haben einen wichtigen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften von Graphenpapieren. Die Größe von Graphen-Mikroblättern beeinflusst nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Graphen-Mikroblättern selbst [13]. Die Auswirkung auf den Zusammenbau von Graphen-Mikroblättern zu Graphenpapier usw. beeinflusst die makroskopische Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier. Derzeit gibt es keinen öffentlichen Bericht über die Untersuchung des Einflusses der Größe von Graphen-Mikrotabletten auf die Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier, und es ist wichtig, diese Regel für die Herstellung von Graphenpapier mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu untersuchen.

1 Experiment

1.1 Das Hauptversuchsmaterial wählt zwei Größen von Graphenoxid-Mikrotabletten aus. Die spezifischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

1.2 Graphenoxidpapier, hergestellt zum Auflösen von 20 mg Graphenoxidpulver in 40 ml, n-Dimethylformamid-Flüssigkeit, Ultraschallschwingung 30 min, unterstütztes mechanisches Rühren, hergestellte kolloidale Lösung, Oxidgraphenkonzentration beträgt 0,5 mg / ml. Die Polyvinylidenmembran mit einer Apertur von 0,2 & mgr; m wurde ausgewählt und das Graphenoxidpapier wurde unter Verwendung von zyklischer shz-d (III) -Pumpenfiltration hergestellt. Das hergestellte Graphenoxidpapier wird abgestreift und vollständig getrocknet, wobei der darin enthaltene dmf entfernt wird. Zur Erleichterung der Darstellung ist die mit 0,5 & mgr; m bis 3 & mgr; m Graphenoxid-Mikrotabletten hergestellte GOP als sgop markiert, und die mit 50 & mgr; m bis 100 & mgr; m Graphenoxid-Mikrotabletten hergestellte GOP ist als lgop markiert.

1.3 Die thermische Reduktion von Graphenoxidpapier kann die Struktur und Regelmäßigkeit von Graphenoxidpapier verbessern, indem Einschränkungen angewendet werden. Um die Qualität des Produkts zu verbessern, wird GOP zwischen zwei Quarzglasstücken eingelegt und zur Wärmebehandlung in einen röhrenförmigen Quarzofen gegeben. Behandlungsatmosphäre: Das Gemisch aus H2 und AR wird mit einer Geschwindigkeit von 400 SCCM und 500 SCCM eingeführt. Heizreduktionssystem wie in 1 gezeigt (anfängliche Erwärmungsrate 5 ° C / min, Temperatur bei 230 ° C, Temperatur bei 30 min, Fortsetzung bei 5 ° C / min bis 800 ° C, 120 min); Nach Beendigung des Erhitzens wird der Quarzofen auf Raumtemperatur abgekühlt und das Produkt mit reduziertem Graphenpapier (Ergop) zur Leistungsprüfung und Charakterisierung entfernt. Zur Erleichterung der Expression wird das Graphenpapier durch die Reduktion von sgop vorbereitet markiert als s <UNK> GOP und das Graphenpapier durch die Reduktion von lgop wird wie l <UNK> GOP markiert.

1.4 Der Leistungscharakterisierungstest der Probe wurde durch Hitachis 4800-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie von Hitachi Co., Ltd. durchgeführt. Die mikroskopische Schichtstruktur der GOP- und Ergop-Proben wurde unter Verwendung des D 8-Röntgendiffraktometers von Braker, Deutschland, gemessen . Die radioaktiven Quellen verwendeten cuk & agr;, Röhrenspannung 40 V, Röhrenstrom 100 mA und Abtastrate 2 ° / min. Das thermische Diffusionsvermögen der Oberfläche von Graphenpapier wurde unter Verwendung des Laserleiters lfa447 von nix gemessen. Berechnen der thermischen Leitfähigkeit der Probe gemäß der Formel (1), wo die CP die spezifische Wärme der Probe ist, wird der Graphit spezifische Wärme verwendet wird, und der Wert 0,709 J / g · K und <UNK> die Abtastdichte . Sie kann berechnet werden, indem die Masse M und das Volumen V der Probe getestet werden, wie in Gleichung (2) gezeigt. Hey = m / v (2), wobei das Volumen V nach Messung des Radius R und der Dicke der Probe (erhalten durch Rasterelektronenmikroskopie) berechnet wird, wie in Gleichung (3) gezeigt. V = π × R2 × Δ (3).

2 Ergebnisse und Diskussionen

2.1 Faktografische Analyse Abbildung 2 (a) ist ein Foto von sgop, das dunkelbraun ist und eine schlechte Lichtdurchlässigkeit aufweist. Fig. 2 (b) ist ein lgop-Foto, ein Papier, das aus großen Graphenoxid-Mikrochips mit einem glatten Aussehen besteht; Die 2 (c) und 2 (d) sind optische Fotografien von Ergop, die beide einen metallischen Glanz aufweisen. Während des thermischen Reduktionsprozesses werden sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen in Graphenoxid durch Emission kleiner Gasmoleküle entfernt. Das emittierte Gas kann die Mikrostruktur des GOP zerstören, so dass sich die Mikrochipfalten vertiefen und die Oberflächenrauheit des Mikrochips zunimmt. Relativ gesehen ist die GOP-Oberfläche, die aus großformatigem Graphenoxid besteht, von relativ flacher Qualität, und der entsprechende Ergop ist auch polierter. Fig. 3 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von zwei Arten von Graphenoxidpapier und dem entsprechenden wärmereduzierten Graphenpapier. Fig. 3 (a) hat ein unterschiedliches Licht und eine unterschiedliche Dunkelheit auf der Oberfläche, was anzeigt, dass die Größenverteilung der Graphenoxid-Mikrotabletten relativ groß ist und die Mikrochipstapel unordentlich und nicht dicht genug sind, um die Oberflächenebenheit des Graphenoxidpapiers zu verringern ;; Fig. 3 (b) zeigt eine gleichmäßigere Verteilung der Oberflächenfalten, relativ kleine interlaminierte Falten und eine flachere Verteilung der Mikroblätter, was anzeigt, dass die Oberflächenebenheit der Graphenoxid-Mikroblätter mit zunehmender Größe des Graphenoxids zunimmt Mikrobögen. In 3 (c) gab es viele tiefere Schluchten auf der Oberfläche des reduzierten Graphenpapiers, was darauf hinweist, dass seine Glätte schlecht war; Wie in 3 (d) zu sehen ist, sind Graphen-Mikrochips vollständig zusammengestapelt und die Mikroblätter sind relativ flach, und das Rasterelektronenmikroskop (SEM) -Diagramm des reduzierten Graphenpapiers kann diese Information ebenfalls widerspiegeln. Die Schichtstruktur von Graphenpapier ist in Fig. 3 (E) und Fig. 3 (f) zu sehen, in denen die Schnappverschlüsse lose gestapelt und Graphenmikroschichten verzogen sind; Die Graphen-Mikrochips in Lop sind dicht gestapelt und weisen einen hohen Grad an Glätte auf. Die obigen experimentellen Phänomene können durch den Selbstorganisationsprozess der Graphenlösung erklärt werden, wie in 4 gezeigt. Graphen-Mikrotabletten werden während des Selbstorganisationsprozesses verschiedenen Kräften ausgesetzt, wie z. B. Schwerkraft, elektrostatische Kraft, intermolekulare Kraft und Diffusion. In niedrigviskosen Flüssigkeiten wird es hauptsächlich durch die Schwerkraft beeinflusst. Große Graphenoxid-Mikrotabletten haben ein großes Verhältnis von langer Dicke und sind leicht, regelmäßige Stapel zu bilden; Bei der geringen Größe von Graphenoxid in der langen Dicke ist das Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis des kleinen Graphens hoch, der Funktionalisierungsgrad ist hoch und die Kraft ist komplexer, was es schwierig macht, eine geordnete akkumulation zu erreichen. Während des Filtrationsprozesses wird die kleine Oxidgraphenlösung schnell filtriert und der gesamte Prozess dauert nur etwa 30 Minuten; Große Mengen an Graphenoxidlösung werden langsam filtriert und die vollständige Filtration der Lösung erfordert 24 Stunden. Dies zeigt, dass die sgop-Struktur locker ist, der Stapel von Graphenoxid-Mikrotabletten verstreut ist und mehr flüssige Zirkulationskanäle in sgop vorhanden sind; Die Gewebestruktur in IgOP ist dicht, Graphenoxid reichert sich dicht an und es gibt nur wenige Flüssigkeitszirkulationskanäle in IgOP.

2.2 x <UNK> D-Analyse der Röntgenbeugungs Karten von GOP und ergop jeweils entsprechend die Prag Gleichung 2dsin θ = n & lgr;, (D sind der Kristallebenenabstand, θ der Beugungswinkel ist, n die Beugungsreihe , λ ist die Wellenlänge der Röntgenstrahlen.) Gemäß dem 2θ-Wert der GOP- oder Ergop (002) -Kristalloberfläche kann ihr Schichtabstand D berechnet werden, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Peakbreite und Glätte der GOP sind entsprechend. Die 2 & thgr; -Werte der GOP, die durch die Graphenoxid-Mikrotabletten mit Abmessungen von 0,5 & mgr; m bis 3 & mgr; m und 50 & mgr; m bis 100 & mgr; m hergestellt wurden, betragen 10,456 ° bzw. 9,607 °. Der Schichtabstand beträgt 0,845 nm bzw. 0,920 nm, was bedeutet, dass die Moene-Mikrotabletten in der GOP aufgrund des Vorhandenseins sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen abgestreift werden und einen großen Schichtabstand bilden. Wenn Graphenoxid zu Graphen reduziert wird, betragen die 2 & thgr; -Werte der beiden Ergops 26,522 ° bzw. 26,460 °, und der Schichtabstand beträgt 0,336 nm bzw. 0,337 nm nahe dem Graphitkristallabstand (0,335 nm). Die Größe von Graphenoxid wird grundsätzlich zu Graphen reduziert. Die Peakform des Lergop-Beugungspeaks wurde akuter und nahm an Stärke zu, was darauf hinweist, dass während der Reduktion von Graphen zu Graphen bei Oxidation in großer Größe sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen, die auf der Oberfläche von Graphenoxid verteilt waren, entfernt wurden, Gitter wiederhergestellt wurden und Mikro Strukturen wurden verbessert. Die Peakform des S ergo-Beugungspeaks wurde sanfter und seine Festigkeit nahm ab, was darauf hinweist, dass während der Reduktion von Graphen zu Graphen in kleinen Größen die Struktur chaotischer wurde und die Regelmäßigkeit abnahm. Da kleine Graphenstücke eher durch das während des Reduktionsprozesses emittierte Gas gedrückt werden, stört dies die ursprünglich relativ geordnete Struktur.

2.3 Wärmeleitfähigkeitsanalyse Die mit zwei verschiedenen Größen von Graphenoxid-Mikrotabletten hergestellten Ergop-Dichten betragen 1,79 g / cm3 bzw. 2,04 g / cm3. Die Ergebnisse des Wärmediffusionskoeffizienten und des Wärmeleitfähigkeitstests sind in Tabelle 3 gezeigt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, betrug die Wärmeleitfähigkeit von srago und lrago 632,8 w / mk bzw. 683,7 w / mk, und die Wärmeleitfähigkeit von lrago erhöhte sich um 8%. Unter diesen nahm die Dichte von Lergop um 14% zu, und der Wärmediffusionskoeffizient von Lergop nahm nicht zu. Das durch große Graphen-Mikrotabletten hergestellte Graphenpapier weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, hauptsächlich aufgrund der regelmäßigeren Struktur von Graphenpapier, das durch große Graphen-Mikrotiterplatten zusammengesetzt ist und dichtere Materialien erzeugen kann. Verbessern Sie schließlich die Wärmeleitfähigkeit des Materials.

3 Fazit

Durch das Lösungsfiltrations-Montageverfahren werden die Graphenoxid-Mikrotabletten, die gleichmäßig in der Lösung dispergiert sind, nacheinander zusammengesetzt, um gleichmäßig dispergiertes Graphenoxidpapier zu erhalten, und das Graphenpapier mit offensichtlicher Bildung wird durch Reduktion der Wärmebehandlung hergestellt. Der Einfluss der Graphengröße auf die Mikrostruktur und Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier wurde untersucht und die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

1) Die Größe des Graphenoxid-Mikrochips nahm zu, die Struktur des Graphenoxidpapiers wurde dichter und die Oberflächenrauheit nahm ab. Nach der thermischen Reduktion ist die entsprechende Mikrostruktur aus Graphenpapier geordneter.

2) Die Hochtemperatur-Reduktionsbehandlung reduzierte den Schichtabstand von Graphenoxidpapier signifikant. Der Abstand von Graphen-Mikroblättern unterschiedlicher Größe war nicht signifikant und sie lagen alle nahe bei 0,335 nm, aber die Graphenpapier-Mikrostrukturen mit großen Mikrogrößen waren geordneter.

3) Die Wärmeleitfähigkeit des durch die beiden Mikrofilmgrößen von Graphenoxid hergestellten reduzierten Graphenpapiers betrug 632,8 w / mk bzw. 683,7 w / mk, und die Wärmeleitfähigkeit von Graphenpapier aus großen Mikrotabletten erhöhte sich um 8%. Dies liegt an der Tatsache, dass sich großes Graphen zu Graphenpapierstrukturen aufhäuft, die geordneter sind und eine größere Dichte aufweisen.

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