Material Antarmuka Termal Berbantuan Grafena dengan Tingkat Kontak Antarmuka yang Memuaskan Antara Matriks dan Pengisi

Abstrak

Reduced graphene oxide (RGO) dan jaringan graphene tiga dimensi (3DGNs) diadopsi untuk meningkatkan kinerja bahan antarmuka termal (TIM). Di dalamnya, 3DGN menyediakan jaringan transportasi cepat untuk fonon, sementara RGO berperan sebagai jembatan untuk meningkatkan kemampuan transportasi fonon pada antarmuka antara pengisi dan matriks. Jenis kelompok fungsional permukaan RGO ditemukan memberikan pengaruh yang luar biasa pada kinerja termal yang dihasilkan; gugus karboksil ditemukan dalam seleksi optimal untuk mendorong proses transpor di area antarmuka karena ikatan kimia yang kuat akan terbentuk antara bidang basal graphene dan resin epoksi (ER) melalui gugus semacam ini. Konduktivitas termal yang dihasilkan mencapai 6,7 Wm⁻¹ K⁻¹ setelah mengoptimalkan fraksi massa dan morfologi pengisi, yang 3250% lebih tinggi dari ER murni. Selain itu, sifat mekanik TIM yang telah disiapkan ini juga terdeteksi, dan spesimen dengan menggunakan pengisi RGO(OOH) menunjukkan kinerja yang lebih baik.

Latar Belakang

Bahan antarmuka termal (TIMs) menjadi salah satu isu panas selama dekade terakhir karena meningkatnya tuntutan disipasi panas dari perangkat elektron yang sangat terintegrasi [1,2,3,4]. Dibandingkan dengan pengisi tradisional (seperti SiC, Al₂ O₃ , dan BN), graphene menampilkan prospek yang menjanjikan untuk memodifikasi resin epoksi (ER) berdasarkan konduktivitas termalnya yang tinggi (5000 Wm⁻¹ K⁻¹ untuk sampel monolayer) [5]. Umumnya, fraksi massa pengisi tradisional harus melebihi 50% untuk memenuhi permintaan aktual, yang menyebabkan kinerja mekanik yang buruk dari komposit yang dihasilkan. Sebaliknya, rasio rendah dari pengisi graphene oxide (RGO) tereduksi (~ 20 wt%) menghasilkan konduktivitas termal yang tinggi (~ 4 Wm⁻¹ K⁻¹ ) untuk TIM komposit. Berdasarkan laporan Balandin dan Lu, faktor peningkatan konduktivitas termal mencapai ~ 2000% setelah menambahkan pengubah RGO, dan sifat mekanik yang diamati memenuhi persyaratan untuk aplikasi praktis [6, 7]. Selain itu, Chen dkk. menemukan bahwa graphene dan nanotube karbon dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kinerja termal TIM, secara bersamaan [8, 9].

Namun, kepadatan cacat yang tinggi dan kontinuitas RGO yang buruk (karena reaksi reduksi oksidasi yang hebat) membatasi peningkatan lebih lanjut dari kinerja termal yang dihasilkan [10]. Berdasarkan laporan dari kelompok Xie, mekanisme hamburan fonon oleh kekosongan dalam bahan curah dan bahan dua dimensi telah terungkap [11]. Untuk pengisi RGO dua dimensi, massa yang hilang dan ikatan yang hilang yang disebabkan oleh cacat memberikan dampak negatif pada transportasi fonon. Di sisi lain, meskipun jaringan graphene tiga dimensi (3DGNs) yang disiapkan dengan metode deposisi uap kimia memiliki kualitas tinggi, kurangnya tautan yang efisien untuk mencapai kontak yang menguntungkan antara bidang basal graphene dan ER menghalangi transportasi fonon pada antarmuka [12]. Baru-baru ini, kami menemukan bahwa kepadatan cacat yang tepat dari 3DGN bermanfaat untuk kondisi kontak antarmuka (memainkan peran yang sama dengan gugus fungsi permukaan RGO), tetapi proses pengendaliannya cukup kompleks [13]. Baru-baru ini, RGO dan 3DGN diadopsi sebagai co-modifier untuk meningkatkan kinerja termal TIM oleh kelompok kami [14]. Namun, performa termal yang dihasilkan masih jauh dari harapan karena sinergi antara kedua filler ini sulit dicapai.

Dalam studi ini, pengisi RGO dengan kelompok fungsional permukaan yang dioptimalkan (termasuk jumlah dan jenis total) dibuat dan digunakan dengan 3DGN untuk TIM komposit. Di dalamnya, 3DGN menyediakan jaringan transportasi cepat untuk fonon, sedangkan RGO bertindak sebagai jembatan untuk menghubungkan bidang basal graphene dan ER. Pengaruh dari jenis kelompok fungsional permukaan RGO terungkap, dan desain optimasi yang sesuai dilakukan. Konduktivitas termal yang dihasilkan mencapai 6,7 Wm⁻¹ K⁻¹ dengan mengadopsi pengisi RGO yang dioptimalkan, yang 25% lebih tinggi dari TIM berbasis graphene yang dilaporkan sebelumnya [7, 10]. Selain pengaruh pada kinerja termal, pengaruh yang sesuai pada sifat mekanik dari TIM yang dihasilkan dari gugus fungsi RGO juga dibahas.

Hasil dan Diskusi

Gambar SEM dari RGO murni, 3DGN, dan TIM yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar. 1, dan TIM komposit yang telah disiapkan menampilkan tampilan yang halus (foto digital ER, pengisi RGO, dan RGO-3DGNs-ER disediakan di Gambar 1e-g). Berbeda dengan RGO, ukuran kerutan pada permukaan 3DGN jauh lebih besar (Gbr. 1a, b). Adapun sampel RGO, kehadiran kerutan spontan untuk meningkatkan stabilitasnya, sedangkan perbedaan antara koefisien ekspansi termal substrat graphene dan nikel menyebabkan kerutan 3DGN. Permukaan kasar dengan pori-pori yang jelas dan retak dapat dilihat dari ER murni, menyiratkan konduktivitas termal yang buruk (Gbr. 1c, perubahan gaya konstan yang dihasilkan dari kekosongan ER membawa konduktivitas termal yang buruk) [11]. Sebaliknya, retakan ini (terbentuk selama proses pemadatan) menghilang setelah menambahkan pengisi graphene, yang sejalan dengan laporan kami sebelumnya [10, 12]. Selain itu, pengisi RGO parsial dapat dilihat pada permukaan spesimen RGO-ER (Gbr. 1d-f), sementara beberapa cekung-cembung yang jelas (diinduksi oleh 3DGN bagian dalam) muncul di permukaan 3DGNs-ER (Gbr. 1g). Kedua karakteristik ini dapat dilihat dari sampel komodifikasi RGO dan 3DGN (Gbr. 1h). Kehadiran 3DGN dapat dilihat dengan jelas dari tampilan penampang gambar SEM (sisipan Gambar 1h).

Gambar SEM dari a RGO(OOH), b 3DGN, c UGD murni, d RGO(OOH)-ER, e RGO(OH)-ER, f RGO(O)-ER, g 3DGNs-ER, dan h 3DGNs-RGO(O)-ER. Foto digital ER, pengisi RGO, dan RGO-3DGNs-ER disediakan di sisipan e –g , dan semua bilah skala mewakili 2 cm. Tampilan penampang gambar SEM ditunjukkan pada sisipan h . Gambar SEM dari RGO, 3DGN, dan TIM yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar, dan TIM komposit yang telah disiapkan menampilkan tampilan yang halus (foto digital ER, pengisi RGO, dan RGO-3DGNs-ER disediakan di e –g ). Berbeda dengan RGO, ukuran kerutan pada permukaan 3DGN jauh lebih besar (a , b ). Adapun sampel RGO, kehadiran kerutan spontan untuk meningkatkan stabilitasnya, sedangkan perbedaan antara koefisien ekspansi termal substrat graphene dan nikel menyebabkan kerutan 3DGN. Permukaan kasar dengan pori-pori yang jelas dan retak dapat dilihat dari RE murni, menyiratkan konduktivitas termal yang buruk (c , perubahan gaya konstan yang dihasilkan dari kekosongan ER membawa konduktivitas termal yang buruk) [11]. Sebaliknya, retakan ini (terbentuk selama proses pemadatan) menghilang setelah menambahkan pengisi graphene, yang sejalan dengan laporan kami sebelumnya [10, 12]. Selain itu, sebagian pengisi RGO dapat dilihat pada permukaan spesimen RGO-ER (d –f ), sementara beberapa cekung-cembung yang jelas (diinduksi oleh 3DGN bagian dalam) muncul di permukaan 3DGNs-ER (g ). Kedua karakteristik ini dapat dilihat dari sampel komodifikasi RGO dan 3DGN (h ). Kehadiran 3DGN dapat dilihat dengan jelas dari tampilan penampang gambar SEM (sisipan h )

Untuk mengungkapkan pengaruh dari jumlah total dan jenis kelompok fungsional permukaan RGO, berbagai pengisi RGO digunakan untuk memodifikasi TIM. Kurva Raman dari spesimen RGO dan 3DGN yang digunakan ini dicatat (Gbr. 2), dan beberapa perbedaan yang luar biasa pada intensitas relatif dari puncak D, G, dan 2D dapat ditemukan. Kurva yang sesuai dari grafit alam juga dicatat untuk perbandingan. Kualitas tinggi 3DGN dibuktikan dengan tidak adanya puncak D pada kurva yang sesuai, yang serupa dengan grafit alam. Sebaliknya, puncak D yang luar biasa muncul di profil sampel GO karena cacat yang diperkenalkan selama proses oksidasi. Selain itu, tidak adanya puncak 2D menegaskan sudut pandang ini. Setelah proses reduksi, intensitas puncak D menurun secara signifikan dan puncak 2D muncul kembali pada kurva spesimen RGO. Berdasarkan rasio intensitas integral dari I _D /Aku _G , kepadatan cacat sampel graphene yang diadopsi ini dapat dihitung (semua hasil dan perhitungan rinci tercantum dalam File tambahan 1:Tabel S1) [15, 16]. Setelah menganalisis kurva ini, ditemukan bahwa posisi pita G dari grafit alam dan 3DGN terletak pada 1580 cm⁻¹ , yang bergeser ke 1600 cm⁻¹ untuk RGO, mengkonfirmasikan kualitas 3DGN yang lebih tinggi dibandingkan dengan RGO [17, 18]. Untuk memperoleh informasi lebih lanjut tentang gugus fungsi permukaan RGO, pola XRD dan XPS dicatat dan jenis serta rasio yang sesuai dari berbagai gugus fungsi permukaan dihitung (File tambahan 1:Gambar S1, S2 dan Tabel S2) [10, 12]. Dengan menyesuaikan proses oksidasi dan reduksi, retensi selektif berbagai gugus fungsi dapat dicapai (termasuk gugus karboksil, hidroksil, dan epoksi) [19].

Kurva Raman dari grafit alam dan berbagai pengisi graphene. Kurva Raman dari spesimen RGO dan 3DGN yang digunakan ini dicatat, dan beberapa perbedaan luar biasa pada intensitas relatif dari puncak D, G, dan 2D dapat ditemukan. Kurva yang sesuai dari grafit alam juga dicatat untuk perbandingan. Kualitas tinggi 3DGN dibuktikan dengan tidak adanya puncak D pada kurva yang sesuai, yang serupa dengan grafit alam. Sebaliknya, puncak D yang luar biasa muncul di profil sampel GO karena cacat yang diperkenalkan selama proses oksidasi. Selain itu, tidak adanya puncak 2D menegaskan sudut pandang ini. Setelah proses reduksi, intensitas puncak D menurun secara signifikan dan puncak 2D muncul kembali pada kurva spesimen RGO. Berdasarkan rasio intensitas integral dari I _D /Aku _G , kepadatan cacat sampel graphene yang diadopsi ini dapat dihitung (semua hasil dan perhitungan rinci tercantum dalam File tambahan 1:Tabel S1) [15, 16]. Setelah menganalisis kurva ini, ditemukan bahwa posisi pita G dari grafit alam dan 3DGN terletak pada 1580 cm⁻¹ , yang bergeser ke 1600 cm⁻¹ untuk RGO, mengonfirmasi kualitas 3DGN yang lebih tinggi dibandingkan dengan RGO [17, 18]

Konduktivitas termal dari sampel TIM yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar. 3, dan sifat termal yang diperoleh terkait erat dengan sampel RGO yang diadopsi. Dibandingkan dengan sampel yang mengadopsi RGO(OH) dan RGO(O), komposit berbantuan RGO(OOH) menunjukkan kinerja yang lebih baik. Konduktivitas termal (5,5 Wm⁻¹ K⁻¹ ) yang terakhir sekitar ~ 12% lebih tinggi dari yang pertama (fraksi massa pengisi adalah 20 berat%), membuktikan bahwa jenis kelompok fungsional permukaan RGO memberikan pengaruh yang signifikan pada kinerja termal yang dihasilkan dari TIM komposit. Konduktivitas termal dari RGO(OOH)-3DGNs-ER yang telah disiapkan dibandingkan dengan ER berbantuan graphene yang dilaporkan sebelumnya (inset dari Gambar 3), menyiratkan mengadopsi RGO(OOH) signifikan untuk mencapai kinerja tinggi [ 6, 7, 10, 14, 20,21,22,23]. Konduktivitas termal semakin meningkat setelah menambahkan 3DGN (6.1 Wm⁻¹ K⁻¹ ), menunjukkan penambahan 3DGN dan retensi selektif gugus fungsi RGO keduanya merupakan penentu konduktivitas termal yang dihasilkan.

Konduktivitas termal dari berbagai TIM komposit yang disiapkan dengan peningkatan fraksi massa pengisi graphene. Konduktivitas termal dari sampel TIM yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar, dan sifat termal yang diperoleh terkait erat dengan sampel RGO yang diadopsi. Dibandingkan dengan sampel yang mengadopsi RGO(OH) dan RGO(O), komposit berbantuan RGO(OOH) menunjukkan kinerja yang lebih baik. Konduktivitas termal (5,5 Wm⁻¹ K⁻¹ ) yang terakhir sekitar ~ 12% lebih tinggi dari yang pertama (fraksi massa pengisi adalah 20 berat%), membuktikan bahwa jenis kelompok fungsional permukaan RGO memberikan pengaruh yang signifikan pada kinerja termal yang dihasilkan dari TIM komposit. Konduktivitas termal dari RGO(OOH)-3DGNs-ER yang telah disiapkan dibandingkan dengan ER berbantuan graphene yang dilaporkan sebelumnya (sisipan gambar), menyiratkan mengadopsi RGO(OOH) signifikan untuk mencapai kinerja tinggi [6 , 7, 10, 14, 20,21,22,23]. Konduktivitas termal semakin meningkat setelah menambahkan 3DGN (6.1 Wm⁻¹ K⁻¹ ), menunjukkan penambahan 3DGN dan retensi selektif gugus fungsi RGO keduanya merupakan penentu konduktivitas termal yang dihasilkan

Resistansi batas antarmuka (δ ) adalah parameter penting untuk menilai kondisi kontak antarmuka. Menurut teori Balandin [24], konduktivitas termal dari TIM yang dimodifikasi graphene dapat dihitung dengan persamaan berikut:

$$ K={K}_g\left[\frac{2p\left({K}_g-{K}_e\right)+3{K}_e}{\left(3-p\right){K} _g+{K}_ep+\frac{\delta {K}_g{K}_ep}{H}}\right] $$ (1)

dimana p mewakili persentase volume pengisi graphene dan K , K _g , dan K _e adalah konduktivitas termal dari komposit yang dihasilkan, graphene, dan ER, masing-masing. H dan δ adalah ketebalan graphene dan resistansi batas termal antara graphene dan ER, masing-masing. Berdasarkan perhitungan relatif, ditemukan bahwa δ sangat bergantung pada gugus fungsi permukaan spesifik dari RGO yang diadopsi (tercantum dalam Tabel 1), dan nilai terkecil diperoleh dari sampel yang dibantu RGO(OOH). Hasil ini sejalan dengan hasil konduktivitas termal, mengkonfirmasikan jenis gugus fungsi RGO memberikan pengaruh yang signifikan pada tingkat kontak antarmuka antara matriks dan pengisi. Seperti yang kita ketahui, gugus karboksil akan bereaksi dengan gugus epoksi pada suhu sedang, dan akan terbentuk ikatan kimia antara RGO(OOH) dan ER selama proses pemadatan (110 °C) [14, 25]. Selain itu, tingkat pengurangan RGO terkait erat dengan kinerja termal yang dihasilkan. Kelompok Wang telah membuktikan bahwa gugus fungsi grafena dapat mengurangi ketidaksesuaian fonon dan meningkatkan efisiensi transpor termal antara bidang basal grafena dan ER dalam teori [26]. Kelompok kami melaporkan hubungan antara jumlah total kelompok fungsional RGO dan konduktivitas termal yang dihasilkan dari RGO-ER [19]. Gugus fungsi yang tidak mencukupi tidak dapat memberikan jembatan yang efektif untuk memperbaiki kondisi kontak antarmuka, sedangkan fungsi gugus fungsi yang berlebihan dapat diabaikan karena jumlah total fonon terbatas. Baru-baru ini, kelompok Manchado dan kelompok Araghi melaporkan pengaruh serupa dari kelompok fungsional RGO pada komposit organik lainnya [27, 28]. Setelah mengoptimalkan jumlah total gugus fungsi permukaan (rasio atom karbon unsur dengan atom karbon fungsional dalam RGO adalah C _elemen :C _fungsional = 1,94:1), konduktivitas termal meningkat menjadi 6,3 Wm⁻¹ K⁻¹ .

Menurut persamaan Balandin, konduktivitas termal yang dihasilkan juga dipengaruhi oleh parameter morfologi filler graphene. Grup Fu mengoptimalkan morfologi RGO (nanoplatelet) yang diadopsi, yang menghasilkan kinerja termal yang tinggi (4,01 Wm⁻¹ K⁻¹ ) [7]. Selanjutnya, kelompok kami membahas pengaruh rinci dari ukuran rata-rata dan ketebalan RGO yang diadopsi [10]. Ukuran rata-rata (> 100 nm) dan ketebalan (~ 2 nm) direkomendasikan, dan konduktivitas termal dari TIM yang dihasilkan meningkat menjadi 6,7 Wm⁻¹ K⁻¹ (yang 25% lebih tinggi dari nilai yang dilaporkan sebelumnya) [7, 10]. Menurut data yang diperoleh (Gbr. 4a), pengaruh pada konduktivitas termal yang dihasilkan dari ukuran rata-rata RGO lebih luar biasa daripada pengaruh dari ketebalan pengisi, menyiratkan area kontak antara bidang basal graphene dan ER adalah penentu kinerja yang diperoleh. Terakhir, proporsi massa antara 3DGN dan RGO dioptimalkan (10% berat untuk 3DGN dan 20% berat untuk RGO; meskipun konduktivitas termal dari TIM yang dihasilkan hampir meningkat secara linier dengan peningkatan fraksi massa pengisi graphene, yang lebih tinggi fraksi massa pengisi akan menyebabkan daya rekat yang buruk dari TIM yang dihasilkan) untuk mencapai sinergi di antara mereka. Stabilitas kinerja termal yang tinggi di bawah suhu tinggi sangat penting bagi TIM untuk memastikan perangkat elektron bekerja dalam status normal. Konduktivitas termal dari TIM yang disiapkan dengan berbagai fraksi massa RGO(OOH) di bawah 50 °C tercantum pada Gambar 4b, dan tidak ada degradasi yang luar biasa yang dapat dilihat setelah 7 hari, menunjukkan prospek yang menjanjikan untuk aplikasi praktis.

a Hubungan antara kinerja termal dan morfologi RGO dengan peningkatan fraksi massa pengisi b stabilitas konduktivitas termal dari TIM yang dihasilkan dengan berbagai fraksi massa pengisi RGO di bawah 50 °C untuk waktu yang lama. Berdasarkan persamaan Balandin, konduktivitas termal yang dihasilkan juga dipengaruhi oleh parameter morfologi filler graphene. Grup Fu mengoptimalkan morfologi RGO (nanoplatelet) yang diadopsi, yang menghasilkan kinerja termal yang tinggi (4,01 Wm⁻¹ K⁻¹ ) [7]. Selanjutnya, kelompok kami membahas pengaruh rinci dari ukuran rata-rata dan ketebalan RGO yang diadopsi [10]. Ukuran rata-rata (> 100 nm) dan ketebalan (~ 2 nm) direkomendasikan, dan konduktivitas termal dari TIM yang dihasilkan meningkat menjadi 6,7 Wm⁻¹ K⁻¹ (yang 25% lebih tinggi dari nilai yang dilaporkan sebelumnya) [7, 10]. Menurut data yang diperoleh (a ), pengaruh pada konduktivitas termal yang dihasilkan dari ukuran rata-rata RGO lebih luar biasa daripada pengaruh dari ketebalan pengisi, menyiratkan area kontak antara bidang basal graphene dan ER adalah penentu untuk kinerja yang diperoleh. Terakhir, proporsi massa antara 3DGN dan RGO dioptimalkan (10% berat untuk 3DGN dan 20% berat untuk RGO; meskipun konduktivitas termal dari TIM yang dihasilkan hampir meningkat secara linier dengan peningkatan fraksi massa pengisi graphene, yang lebih tinggi fraksi massa pengisi akan menyebabkan daya rekat yang buruk dari TIM yang dihasilkan) untuk mencapai sinergi di antara mereka. Stabilitas kinerja termal yang tinggi di bawah suhu tinggi sangat penting bagi TIM untuk memastikan perangkat elektron bekerja dalam status normal. Konduktivitas termal dari TIM yang disiapkan dengan berbagai fraksi massa RGO(OOH) di bawah 50 °C tercantum dalam b , dan tidak ada degradasi luar biasa yang terlihat setelah 7 hari, yang menunjukkan prospek menjanjikan untuk aplikasi praktis

Selain konduktivitas termal yang tinggi, kinerja mekanik yang baik cukup penting untuk memanfaatkan TIM yang telah disiapkan dalam skala besar. Sifat mekanik intrinsik graphene yang tinggi dapat dipertahankan dalam 3DGN karena ukurannya yang relatif besar dan struktur kontinu antara lembaran graphene. Kekuatan pamungkas (hubungan regangan-tegangan) dan batas peregangan ER murni dan TIM yang dihasilkan dicatat (tercantum dalam Tabel 2; fraksi massa pengisi RGO dan 3DGN yang diadopsi adalah 5% berat). Berdasarkan laporan dari kelompok Dermani' dan kelompok Zhu, keberadaan gugus fungsi permukaan dari pengisi RGO terkait erat dengan kekuatan ultimat dari TIM yang dihasilkan [29, 30]. Dalam penelitian ini, komposit RGO(OOH)-3DGNs-ER menunjukkan kinerja terbaik, menunjukkan bahwa kontak kimia antara RGO(OOH) dan ER lebih kuat dibandingkan komposit lainnya. Kekuatan tertinggi sampel yang dibantu RGO(OOH) ~ 10% lebih tinggi daripada TIM lainnya. Demikian pula, batas peregangannya mencapai 280%, yang jauh lebih baik daripada RE murni. Oleh karena itu, gugus karboksil pada permukaan RGO tidak hanya bertindak sebagai jembatan untuk mempromosikan transportasi fonon antara pengisi dan matriks, tetapi juga memberikan TIM kinerja mekanik yang baik karena kontak kimia yang dekat berdasarkan gugus fungsi ini. Selain itu, daya rekat adalah properti penting lain dari TIM. Modulus Young dan kekuatan geser ER murni dan spesimen yang dimodifikasi graphene diuji dan tercantum dalam Tabel 3. Seperti yang dapat kita lihat, kinerja 3DGNs-ER yang sesuai lebih rendah daripada ER murni karena antarmuka yang buruk kekuatan perekat antara 3DGNs dan ER. Demikian pula, kinerja sampel yang dibantu RGO(O)- dan RGO(OH) tidak sebaik ER yang rapi (karena aglomerasi nanosheet RGO), yang sejalan dengan laporan sebelumnya [31 ,32,33]. Menurut studi dari Salom et al., kekuatan sambungan yang lebih baik dapat dicapai ketika fraksi massa rendah dari pengisi RGO diadopsi untuk menghindari aglomerasi yang berlebihan [33]. Namun, proporsi pengisi graphene yang rendah menyebabkan kinerja termal yang buruk. Sebaliknya, kekuatan sambungan RGO(OOH)-3DGNs-ER sebanding dengan ER rapi, menunjukkan kekuatan perekat yang dihasilkan bergantung pada jenis gugus fungsi pengisi RGO yang diadopsi. Berdasarkan hasil pengujian, gugus karboksil daripada gugus hidroksil dan epoksi memberikan efek positif pada sifat mekanik dan perekat dari TIM yang disiapkan. Pengisi RGO(OOH) memainkan peran kunci untuk memperbaiki tingkat kontak antarmuka antara bidang basal graphene dan ER.

Metode

Materi

Grafit alam dan aseton diperoleh dari Aladdin Co., Ltd. ER dan bahan pengawet diperoleh secara komersial dari Sanmu Co. Ltd. (Suzhou, China). Perak nitrat, kalium karbonat, etanol, natrium hidroksida, fosfor pentoksida, asam kloroasetat, asam klorida, kalium permanganat, hidrazin peroksida, dan asam sulfat dibeli dari Pabrik Reagen Kimia Beijing (Beijing, Cina). Metil etil keton dan natrium hidroksida diperoleh dari Shanghai Chemical Reagent Co. Ltd. (Shanghai, Cina). Air deionisasi (resistivitas 18 MΩ cm) digunakan untuk menyiapkan semua larutan berair.

Persiapan

Sampel graphene oxide (GO) disiapkan dengan metode Hummer yang dimodifikasi dan pendekatan yang dilaporkan Zhang, dan kelompok utama masing-masing adalah karboksil dan hidroksil [34, 35]. Perbedaan utama pendekatan Zhang dibandingkan dengan metode Hummer adalah hanya satu proses oksidasi yang diperlukan untuk yang pertama. Secara singkat, 1,0 g grafit alam ditambahkan ke dalam 35 mL H₂ JADI₄ (98 wt%), diikuti dengan penambahan 1,2 g KMnO₄ . Suspensi diaduk selama 72 jam untuk mengaktifkan H₂ JADI₄ interkalasi. Kemudian, 10,0 mL air deionisasi ditambahkan dan suhu dipanaskan hingga 70 °C. Kemudian, 10,0 mL H₂ O₂ (30 wt%) dimasukkan dengan proses pengadukan (5 jam). Terakhir, sentrifugasi dan pencucian dilakukan untuk mendapatkan sampel GO. Berbagai zat pereduksi termasuk alkohol dan hidrazin digunakan untuk mereduksi sampel GO dengan gugus fungsi selektif. Secara singkat, 20 mg sampel GO didispersikan dalam 50 mL etilen glikol dan perlakuan sonikasi 60 menit dilakukan. Kemudian, suspensi dipanaskan sampai 160 °C selama 5 jam di bawah pengadukan yang kuat. Setelah proses sentrifugasi berikutnya, sampel dicuci dengan air deionisasi selama tiga kali. Terakhir, pasta yang diperoleh dikeringkan pada suhu 60 °C dalam oven vakum (gugus karboksil dan hidroksil dipertahankan, sedangkan gugus epoksi dihilangkan). Sedangkan untuk penggunaan hidrazin, semua gugus fungsi dihilangkan tanpa selektivitas. Secara singkat, 2 mL hidrazin ditambahkan ke dalam larutan GO 30 mL (2 mg mL⁻¹ ) tetes demi tetes pada suhu 98 °C dan disimpan selama 4 jam. Selain itu, natrium hidroksida dan asam kloroasetat diadopsi untuk mengontrol lebih lanjut sampel RGO dengan gugus fungsi yang dirancang [19, 24]. RGO(OOH):sampel grafit alam dibuat dengan metode Hummer yang dimodifikasi dan kemudian direduksi dengan alkohol. RGO(OH):sampel grafit alam dibuat dengan metode Zhang dan kemudian direduksi dengan alkohol. RGO(O):pertama, sampel grafit alam disiapkan dengan metode Hummer yang dimodifikasi. Setelah itu, gugus hidroksil dipindahkan ke gugus karboksil. Secara singkat, natrium hidroksida (1,2 g) dan asam kloroasetat (1,0 g) ditambahkan ke dalam suspensi RGO (30 mL, 1 mg mL⁻¹ ) dan campuran disonikasi selama 2 jam. Terakhir, gugus karboksil dari produk antara dihilangkan dengan perak nitrat dan kalium karbonat dengan metode yang dilaporkan Du et al. [36]. Persiapan TIM telah dijelaskan dalam laporan kami sebelumnya [14, 19]. Pada langkah pertama, sampel RGO didispersikan dalam air (lisozim ditambahkan dan nilai pH larutan diatur menjadi 10) [19] dan diperlakukan dengan ultrasonik selama 10 menit. Kemudian, sampel RGO yang terdispersi dengan baik dituangkan ke dalam ER dengan pengadukan sederhana selama 10 menit. Setelah diaduk, komposit dikeringkan pada suhu 110 °C selama 2 jam. Sampel 3DGN disiapkan dengan metode deposisi uap kimia [13]. Secara singkat, busa nikel dipanaskan hingga 1100 °C di bawah Ar (300 sccm) dan H₂ (150 sccm) atmosfer dengan 20 °C min⁻¹ laju pemanasan dalam tungku tabung untuk mengurangi batas butir substrat. Kemudian, sejumlah kecil CH₄ (10 sccm) diperkenalkan selama 2 menit. Setelah itu, sampel didinginkan hingga suhu kamar di bawah Ar (300 sccm) dan H₂ (200 sccm) atmosfer, dan laju pendinginan adalah 1 °C s⁻¹ , masing-masing. Persiapan sampel modifikasi 3DGN telah dijelaskan dalam laporan kami sebelumnya [10, 12, 14]. Secara singkat, sejumlah 3DGN dimasukkan ke dalam cetakan, dan kemudian, resin epoksi termasuk bahan pengawet dijatuhkan pada permukaan 3DGN. Setelah menjatuhkan lapisan resin epoksi (tertutup 3DGN), beberapa 3DGN ditambahkan lagi. Akhirnya, campuran resin epoksi 3DGNs di-curing pada 110 °C selama 5 jam. Persiapan komposit termodifikasi 3DGN dan RGO serupa dengan sampel modifikasi 3DGN dengan mengganti ER murni dengan ER yang ditambahkan RGO (fraksi massa RGO adalah 5-20% berat). Ukuran rata-rata sampel RGO dapat disesuaikan dengan menambahkan perlakuan sonikasi (0–12 jam).

Karakterisasi

Gambar morfologi diamati dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM, FEI Sirion 200 bekerja pada 5 kV). Spektrum Raman dilakukan oleh mikrospektrometer Raman LabRam-1B pada 532 nm. Profil spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) direkam pada sistem PHI-5000C ESCA RBD yang ditingkatkan. Analisis kilat laser (LFA 2000, Linseis, Jerman) dan kalorimetri pemindaian diferensial (Diamond DSC, PerkinElmer) digunakan untuk mendapatkan kinerja termal komposit. Konduktivitas termal dari komposit yang disiapkan dihitung dengan persamaan berikut:k = α ρ ∗ C _P di mana k , α , ρ , dan C _p mewakili konduktivitas termal, koefisien difusi termal, kepadatan, dan panas spesifik komposit, masing-masing. Data α dan C _p dapat dideteksi langsung dari analisis sinar laser dan kalorimetri pemindaian diferensial. Sifat mekanik komposit ini dicatat oleh analisis termal mekanik dinamis (DMTA, Triton Instrument, UK) instrumen. Modulus Young dianalisis dalam mode pembengkokan kantilever ganda menggunakan instrumen DMTA (Triton Instrument, UK). Nilai kekuatan sambungan dari sampel yang disiapkan dan ER murni diabstraksikan dengan uji geser putaran tunggal dengan standar ASTM D1002-01 dengan instrumen DMTA (Triton Instrument, UK). Secara singkat, potongan aluminium (100 × 25 × 2 mm³ ) dirakit menjadi sambungan geser putaran tunggal dengan panjang tumpang tindih 12,5 mm. Ketebalan TIM dibatasi hingga 0,2 mm ± 0,04 mm, dan dimensi sambungan yang tumpang tindih dikontrol hingga 25 × 12,5 mm² . Sebelum dilakukan pengujian kekuatan sambungan, dilakukan proses surface treatment untuk menghilangkan debu dan lemak pada permukaan aluminium [33]. Potongan aluminium dilakukan proses abrasive blasting, proses degreasing (menggunakan metil etil keton), dan proses etsa (menggunakan larutan NaOH (100 g L⁻¹ ) pada 60 °C selama 5 menit).

Kesimpulan

RGO dan 3DGN diadopsi untuk memodifikasi ER guna meningkatkan kinerja termal dari TIM yang dihasilkan. Dengan mengontrol jenis kelompok fungsional pada permukaan RGO, pengaruh yang sesuai pada tingkat kontak antarmuka terungkap. Di antara semua TIM yang telah disiapkan, RGO(OOH) menunjukkan kinerja terbaik karena aktivitas reaksi yang tinggi dari gugus karboksil (dari RGO) dan gugus epoksi (dari ER) selama proses pemadatan. Selanjutnya, morfologi (termasuk ukuran dan ketebalan rata-rata) pengisi RGO juga disesuaikan untuk lebih meningkatkan sifat termal. Setelah pengoptimalan yang sesuai, konduktivitas termal dari RGO(OOH)-3DGNs-ER yang dihasilkan mencapai 6,7 Wm⁻¹ K⁻¹ , yang 3250% lebih tinggi dari RE murni. Terakhir, sifat mekanik dan daya rekat dari spesimen yang disiapkan ini diuji, dan komposit yang ditambahkan RGO(OOH) menunjukkan kinerja terbaik karena ikatan kuat yang terbentuk antara pengisi dan matriks. Oleh karena itu, mengoptimalkan jenis gugus fungsi pengisi RGO adalah cara yang layak untuk meningkatkan sifat termal dan mekanik TIM komposit.

Singkatan

3DGNs:: Three-dimensional graphene networks
C _p :: Specific heat
DMTA:: Dynamic mechanical thermal analysis
DSC:: Kalorimetri pemindaian diferensial
ER:: Epoxy resin
PERGI:: Grafena oksida
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:: Pemindaian mikroskop elektron
TIMs:: Thermal interface materials
XPS:: Spektroskopi fotoelektron sinar-X
α :: Thermal diffusion coefficient
ρ :: Density

Low-Cost Fleksibel ZnO Microwires Array Ultraviolet Photodetector Tertanam dalam Substrat PAVL Mikrosfer Silikon Mesopori Dihasilkan dari Reduksi Magnesiotermik Silikon Oksida In Situ untuk Bahan Anoda Berkinerja Tinggi pada Baterai Ion Natrium

bahan nano