Bahan Antarmuka Termal Tingkat Tinggi melalui Co-Modifikasi Resin Epoxi dengan Lembar Nanosheet Grafit Oksida Terreduksi dan Jaringan Grafit 3-D
Abstrak
Seiring semakin kecilnya perangkat mikroelektronik, pengedar panas yang efisien telah menjadi hambatan kritis. Sistem resin epoksi (ER) yang dibantu grafit telah menunjukkan janji untuk meningkatkan performa termal, namun keterbatasan lembar nanosheet grafit oksida terreduksi (RGO) dan jaringan grafit 3-dimensi (3DGN) masih membatasi kemajuan lebih lanjut. Dalam studi ini, kami co-modifikasi ER dengan baik RGO nanosheet dan 3DGN untuk mengeksploitasi keuntungan komplementer mereka: 3DGN menyediakan jaringan transportasi fonon yang berkelanjutan, sementara RGO nanosheet meningkatkan kopling antarmuka antara grafit dan matriks ER. Dengan mengoptimalkan proporsi setiap filler dan tingkat reduksi RGO, kami mencapai peningkatan sinergi dalam konduktivitas termal, keandal mekanis, dan stabilitas termal, menunjukkan potensi komposit ini untuk aplikasi TIM praktis.
Latar Belakang
Bahan antarmuka termal (TIM) yang diingatkan grafit telah menarik minat yang berkembang karena properti termal dan mekanis yang luar biasa. Kim et al. melaporkan peningkatan 1400 % konduktivitas termal dibandingkan ER polos, dan kelompok Joen mencapai ~2 W m⁻¹ K⁻¹ dengan 10 wt % filler grafit. Namun, nilai-nilai ini masih jauh di bawah konduktivitas intrinsik grafit (~5000 W m⁻¹ K⁻¹). Hambatan utamanya adalah jaringan lembar RGO yang tidak terhubung dan resistansi termal antarmuka yang tinggi yang disebabkan oleh banyak antarmuka grafit–matriks dan pemancaran fonon yang diinduksi oleh cacat. 3DGN berkualitas tinggi yang dibuat oleh penyapu uap kimia menawarkan jaringan berkelanjutan, rendah cacat, namun kurangnya grup fungsional permukaan membatasi basabilitas dengan matriks ER. Pengenalan jumlah cacat permukaan yang terkontrol pada 3DGN meningkatkan ikatan antarmuka, namun proses CVD kompleks. Co-fungsionalisasi 3DGN dengan lembar RGO menawarkan strategi yang menjanjikan untuk menggabungkan jalur fonon berkelanjutan dengan kopling antarmuka yang ditingkatkan.
Metode
Bahan
Bubuk nikel (300 gm⁻², 12 mm tebal) digunakan sebagai template untuk pembuatan 3DGN. Etanol, HCl, FeCl₃, dan polimetil metakrilat (PMMA, Mn≈996 000, 4 % dalam etil lakzat) diperoleh dari Pabrik Reagen Kimia Beijing. Etil lakzat, grafit alami, PMMA, dan aseton diperoleh dari Aladdin Co., Ltd. Politetrafluoroetilena (PTFE) dan sulfonat dodecilsena natrium dibeli dari Huangjiang Co., Ltd. Resin epoksi (ER) dan agen pengerasnya disediakan oleh Sanmu Co., Ltd. Air deionis (resistivitas 18 MΩ cm) digunakan untuk semua persiapan air.
Persiapan
Lembar RGO dan 3DGN disiapkan mengikuti protokol kami yang telah dilaporkan sebelumnya [12–14] (lihat bahan pelengkap). Komposit RGO–3DGN–ER dibuat melalui prosedur dua tahap. Pertama, lembar RGO dan 3DGN disperdi dalam 50 mL air deionis, diultrasonik selama 30 menit, kemudian ditangani dengan 1 mg sulfonat dodecilsena natrium. Campuran mengalami reaksi hidrotermal pada 80 °C selama 6 jam dalam wadah Teflon, setelah itu dicuci tiga kali dengan air deionis. Proses ini meancurkan lembar RGO pada permukaan 3DGN. Kedua, komposit RGO–3DGN dicampur dengan ER dan agen pengeras dalam cetakan: lapisan ER dituangkan pada permukaan padat, diikuti oleh lapisan RGO–3DGN lainnya, dan urutan diulang tiga hingga empat kali untuk memastikan infiltrasi kapiler ER ke dalam jaringan poros. Campuran akhir dikeringkan pada 110 °C selama 3 jam.
Karakterisasi
SEM (FEI Sirion 200, 5 kV) dan TEM (JEM-2100F, 20 kV) mengungkapkan morfologi komposit. AFM (Nanoscope IIIa dan E-Sweep) digunakan dalam mode getir untuk menilai topografi permukaan. Spektra Raman (LabRam-1B, 532 nm) mengukur densitas cacat, sementara XPS (RBD PHI-5000C) mengonfirmasi komposisi elemen. FTIR (IR Prestige-21) mengidentifikasi grup fungsional. Properti mekanis diukur menggunakan Triton DMTA (frekuensi 1 Hz, laju pemanasan 5 °C min⁻¹) pada spesimen 2 × 4 cm. Konduktivitas termal ditentukan oleh analisis flash laser, dan kalorimetri scan diferensial memberikan data kapasitas panas.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan gambar AFM dan SEM lembar RGO (ukuran lateral rata-rata 400–600 nm), 3DGN (jaringan poros berkelanjutan), RGO–3DGN, dan komposit RGO–3DGN–ER akhir. Permukaan komposit terlihat halus dengan porositas minimal, yang menunjukkan infiltrasi ER yang baik.
Morfologi lembar RGO nanosheet, 3DGN, dan TIM yang dihasilkan. Gambar AFM dan SEM dari lembar RGO nanosheet yang disiapkan, 3DGN, RGO-3DGN, dan RGO-3DGN-ER ditunjukkan dalam Gambar 1. Ukuran rata-rata lembar RGO nanosheet adalah 400–600 nm (a), yang dirancang secara cermat untuk digabungkan dengan 3DGN dengan menyesuaikan prosedur oksidasi dan reduksi. Konstruksi 3D berkelanjutan dari 3DGN dapat dilihat dari (b), dan struktur porosnya ditunjukkan dengan jelas. Seperti yang diketahui, permukaan halus dari TIM RGO-ER dapat dilihat dari (c), dan kehilangan pori kecil (dibandingkan dengan ER polos, inset dari (c) mengindikasikan potensi performa termal yang tinggi. (d) Morfologi RGO-3DGN-ER, yang mirip dengan RGO-ER. Struktur 3D dari 3DGN sulit diidentifikasi dalam gambar SEM karena ruang antar 3D diisi oleh ER. Namun, jaringan transportasi fonon 3D (fungsi 3DGN) tetap terpertahankan dalam TIM, yang telah dibuktikan dalam laporan kami sebelumnya. Lembar RGO nanosheet dalam RGO-3DGN-ER harus dimuat pada permukaan 3DGN karena reaksi hidrotermal, yang merupakan prasyarat untuk mengeksersikan fungsi (mengembalikan basabilitas antara permukaan dasar grafit dan matriks) lembar RGO nanosheet.
Analisis Raman (Fig. 2a) menunjukkan puncak G, 2D, dan D yang menonjol untuk RGO, sementara puncak D dapat diabaikan untuk 3DGN, yang menunjukkan densitas cacat rendah. Rasio IG/ID menghasilkan ukuran lateral RGO rata-rata ~500 nm, konsisten dengan data AFM. Spektra FTIR (Fig. 2b) mengungkapkan puncak 1335 cm⁻¹ (O=C–OH) yang khas hanya dalam RGO, yang hilang setelah integrasi ER, mengonfirmasi ikatan kovalen pada antarmuka dan resistansi batas termal yang diturunkan.
Kurva Raman dan FTIR dari berbagai sampel. Kurva Raman dari lembar RGO nanosheet dan 3DGN yang diadopsi ditunjukkan dalam (a). Tiga sinyal utama, puncak G, 2D, dan D, dapat dilihat untuk yang pertama, sementara puncak D sulit ditemukan dalam pola yang sesuai dari 3DGN. ...
Gambar 3 menampilkan konduktivitas termal komposit. ER polos menunjukkan ~0,2 W m⁻¹ K⁻¹, jauh di bawah kebutuhan praktis. Seiring peningkatan muatan filler, konduktivitas naik hampir linier. Sampel RGO–3DGN–ER co-modifikasi unggul dibandingkan sistem filler tunggal pada fraksi massa yang sama, mengonfirmasi efek sinergi. Performa superior berasal dari jaringan 3DGN berkelanjutan dan ikatan antarmuka yang ditingkatkan melalui grup fungsional RGO. Model Balandin (Eq. 2) menghubungkan konduktivitas dengan resistansi batas termal (δ); perhitungan menunjukkan δ yang serupa untuk RGO–ER dan RGO–3DGN–ER, yang menunjukkan RGO berada pada permukaan 3DGN, sedangkan δ untuk 3DGN–ER lebih tinggi karena basabilitas yang buruk.
Resistansi batas termal yang dihitung dari berbagai sampel. Resistansi batas termal (δ) adalah parameter penting untuk menentukan performa termal TIM yang dihasilkan. ...
Uji stabilitas suhu tinggi (Fig. 5a) menunjukkan semua komposit mengalami penurunan konduktivitas seiring kenaikan suhu karena pemancaran Umklapp yang ditingkatkan. Namun, sampel yang ditambahkan RGO mempertahankan stabilitas yang lebih baik karena pemancaran Kapitza yang lebih sensitif. Siklus jangka panjang (240 jam) menunjukkan degradasi <10 % dalam semua komposit, mengonfirmasi performa termal yang kuat.
Stabilitas suhu tinggi dan siklus. ...
Uji mekanis (data tambahan dalam Tabel S1) menunjukkan bahwa baik 3DGN–ER maupun RGO–3DGN–ER mempertahankan kekuatan tarik ultim dan regangan yang tinggi, dikaitkan dengan rangka 3DGN berkelanjutan dan gangguan yang dapat diabaikan dari RGO yang terikat permukaan.
Kesimpulan
Kami berhasil membuat TIM RGO–3DGN–ER yang memanfaatkan jaringan fonon berkelanjutan dari 3DGN dan ikatan antarmuka dari lembar RGO nanosheet. Ketika 9 wt % 3DGN dan 1 wt % RGO diintegrasikan, komposit mencapai ~4,6 W m⁻¹ K⁻¹—10 % dan 36 % lebih tinggi dari 10 wt % 3DGN atau 10 wt % RGO sendirian—sambil mempertahankan properti mekanis yang luar biasa dan stabilitas termal (≤25 % kehilangan konduktivitas pada 100 °C). Hasil ini menekankan janji komposit grafit co-modifikasi untuk TIM performa tinggi dalam aplikasi elektronik canggih.
