Matériaux d'interface thermique assistés par graphène avec un niveau de contact d'interface satisfaisant entre la matrice et les charges

Contexte

Les matériaux d'interface thermique (TIM) sont devenus l'un des problèmes brûlants au cours de la dernière décennie en raison des demandes croissantes de dissipation de chaleur des dispositifs électroniques hautement intégrés [1,2,3,4]. Par rapport à celui des charges traditionnelles (telles que SiC, Al₂ O₃ , et BN), le graphène présente une perspective prometteuse pour modifier la résine époxy (ER) sur la base de sa conductivité thermique exceptionnellement élevée (5000 Wm ⁻¹ K ⁻¹ pour l'échantillon monocouche) [5]. Généralement, la fraction massique des charges traditionnelles doit dépasser 50% pour satisfaire la demande réelle, conduisant à une mauvaise performance mécanique des composites résultants. Au contraire, un faible taux de charge d'oxyde de graphène réduit (RGO) (~ 20% en poids) entraîne une conductivité thermique élevée (~ 4 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) pour les TIM composites. Sur la base des rapports de Balandin et de Lu, les facteurs d'amélioration de la conductivité thermique atteignent ~   2000% après l'ajout du modificateur RGO, et les propriétés mécaniques observées répondent aux exigences de l'application pratique [6, 7]. De plus, Chen et al. ont découvert que le graphène et les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour améliorer davantage les performances thermiques des TIM, simultanément [8, 9].

Cependant, la densité de défauts élevée et la mauvaise continuité du RGO (due aux violentes réactions d'oxydo-réduction) limitent l'amélioration des performances thermiques résultantes [10]. Sur la base du rapport du groupe de Xie, les mécanismes de diffusion des phonons par les lacunes dans les matériaux en vrac et les matériaux bidimensionnels ont été révélés [11]. Pour la charge RGO bidimensionnelle, la masse manquante et les liaisons manquantes causées par les défauts imposent un impact négatif sur le transport des phonons. D'autre part, bien que les réseaux de graphène tridimensionnel (3DGN) préparés par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur possèdent une haute qualité, l'absence d'un lien efficace pour obtenir un contact favorable entre le plan basal du graphène et ER obstrue le transport des phonons à leur interface [12]. Récemment, nous avons constaté qu'une densité de défauts appropriée des 3DGN est bénéfique pour la condition de contact d'interface (joue le même rôle que les groupes fonctionnels de surface du RGO), mais le processus de contrôle est assez complexe [13]. Plus récemment, le RGO et les 3DGN ont été adoptés comme co-modificateur pour améliorer les performances thermiques des TIM par notre groupe [14]. Cependant, les performances thermiques obtenues sont encore loin des attentes car la synergie entre ces deux charges est difficile à réaliser.

Dans cette étude, les charges RGO avec des groupes fonctionnels de surface optimisés (y compris la quantité totale et les types) sont fabriquées et utilisées avec les 3DGN pour les TIM composites. À l'intérieur, les 3DGN fournissent un réseau de transport rapide pour les phonons, tandis que le RGO agit comme le pont pour connecter le plan basal du graphène et l'ER. L'influence des types des groupes fonctionnels de surface du RGO est révélée et une conception d'optimisation correspondante est réalisée. La conductivité thermique résultante atteint 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ en adoptant la charge RGO optimisée, qui est 25 % plus élevée que les TIM à base de graphène précédemment rapportés [7, 10]. Outre l'influence sur les performances thermiques, les influences correspondantes sur les propriétés mécaniques des TIM résultant des groupes fonctionnels du RGO sont également discutées.

Résultats et discussion

Les images SEM du RGO vierge, des 3DGN et des TIM résultants sont illustrées à la Fig. 1, et les TIM composites tels que préparés affichent les apparences lisses (les photos numériques de l'ER, de la charge RGO et du RGO-3DGNs-ER sont fournies dans Fig. 1e–g). Différente de celle du RGO, la taille des rides sur la surface 3DGN est beaucoup plus grande (Fig. 1a, b). Comme pour l'échantillon RGO, la présence de plis est spontanée pour améliorer sa stabilité, tandis que l'écart entre les coefficients de dilatation thermique du substrat de graphène et de nickel conduit aux plis des 3DGN. Une surface rugueuse avec des pores et des fissures évidentes peut être vue depuis le RE vierge, impliquant une mauvaise conductivité thermique (Fig. 1c, le changement de constante de force résultant des lacunes du RE entraîne une mauvaise conductivité thermique) [11]. Au contraire, ces fissures (formées lors du processus de solidification) disparaissent après l'ajout de la charge de graphène, ce qui est en ligne avec nos précédents rapports [10, 12]. De plus, des remplissages partiels de RGO peuvent être observés à la surface des échantillons RGO-ER (Fig. 1d–f), tandis que des éléments concaves-convexes évidents (induits par les 3DGN internes) apparaissent à la surface des 3DGNs-ER (Fig. 1g). Ces deux caractéristiques peuvent être observées à partir de l'échantillon co-modifié RGO et 3DGN (Fig. 1h). La présence des 3DGN est clairement visible sur la vue en coupe des images SEM (encarts de la Fig. 1h).

Images SEM du a RGO(OOH), b 3DGN, c urgence impeccable, d RGO(OOH)-ER, e RGO(OH)-ER, f RGO(O)-ER, g 3DGNs-ER, et h 3DGNs-RGO(O)-ER. Les photos numériques de l'ER, de la charge RGO et du RGO-3DGNs-ER sont fournies dans les encarts de e –g , et toutes les barres d'échelle représentent 2 cm. La vue en coupe des images SEM est montrée dans les encarts de h . Les images SEM du RGO vierge, des 3DGN et des TIM résultants sont illustrées dans la figure, et les TIM composites tels que préparés affichent les apparences lisses (les photos numériques de l'ER, de la charge RGO et du RGO-3DGNs-ER sont fournies dans e –g ). Différente de celle du RGO, la taille des rides sur la surface des 3DGN est beaucoup plus grande (a , b ). Comme pour l'échantillon RGO, la présence de plis est spontanée pour améliorer sa stabilité, tandis que l'écart entre les coefficients de dilatation thermique du substrat de graphène et de nickel conduit aux plis des 3DGN. Une surface rugueuse avec des pores et des fissures évidentes peut être vue depuis le RE vierge, ce qui implique une mauvaise conductivité thermique (c , le changement de constante de force résultant des lacunes du RE entraîne une mauvaise conductivité thermique) [11]. Au contraire, ces fissures (formées lors du processus de solidification) disparaissent après l'ajout de la charge de graphène, ce qui est en ligne avec nos précédents rapports [10, 12]. De plus, des charges partielles RGO peuvent être vues à la surface des spécimens RGO-ER (d –f ), tandis que des concaves-convexes évidents (induits par les 3DGN internes) apparaissent à la surface des 3DGNs-ER (g ). Ces deux caractéristiques peuvent être vues à partir de l'échantillon co-modifié RGO et 3DGN (h ). La présence des 3DGN est clairement visible sur la vue en coupe des images SEM (encarts de h )

Afin de révéler l'influence de la quantité totale et du type des groupes fonctionnels de surface du RGO, diverses charges RGO sont utilisées pour modifier les TIM. Les courbes Raman de ces échantillons RGO et 3DGN utilisés sont enregistrées (Fig. 2), et des distinctions remarquables sur les intensités relatives des pics D, G et 2D peuvent être trouvées. La courbe correspondante du graphite naturel est également enregistrée pour comparaison. La haute qualité des 3DGN est prouvée par l'absence du pic D dans la courbe correspondante, qui est similaire à celui du graphite naturel. Au contraire, un pic D remarquable apparaît dans le profil de l'échantillon GO en raison des défauts introduits au cours du processus d'oxydation. De plus, l'absence du pic 2D confirme ce point de vue. Après un processus de réduction, l'intensité du pic D diminue significativement et le pic 2D réapparaît dans les courbes des éprouvettes RGO. Basé sur le rapport d'intensité intégral du I _D /Je _G , les densités de défauts de ces échantillons de graphène adoptés peuvent être calculées (tous les résultats et le calcul détaillé sont répertoriés dans le fichier supplémentaire 1 :tableau S1) [15, 16]. Après analyse de ces courbes, on constate que les positions de la bande G du graphite naturel et des 3DGN se situent à 1580 cm ⁻¹ , qui passent à 1600 cm ⁻¹ pour le RGO, confirmant la meilleure qualité des 3DGN par rapport à celle du RGO [17, 18]. Afin d'obtenir plus d'informations sur les groupes fonctionnels de surface du RGO, des motifs XRD et XPS sont enregistrés et les types et ratios correspondants des divers groupes fonctionnels de surface sont calculés (Fichier supplémentaire 1 :Figures S1, S2 et Tableau S2) [10, 12]. En ajustant les processus d'oxydation et de réduction, la rétention sélective de divers groupes fonctionnels peut être obtenue (y compris les groupes carboxyle, hydroxyle et époxy) [19].

Courbes Raman du graphite naturel et diverses charges de graphène. Les courbes Raman de ces échantillons RGO et 3DGN utilisés sont enregistrées, et des distinctions remarquables sur les intensités relatives des pics D, G et 2D peuvent être trouvées. La courbe correspondante du graphite naturel est également enregistrée pour comparaison. La haute qualité des 3DGN est prouvée par l'absence du pic D dans la courbe correspondante, qui est similaire à celui du graphite naturel. Au contraire, un pic D remarquable apparaît dans le profil de l'échantillon GO en raison des défauts introduits au cours du processus d'oxydation. De plus, l'absence du pic 2D confirme ce point de vue. Après un processus de réduction, l'intensité du pic D diminue significativement et le pic 2D réapparaît dans les courbes des éprouvettes RGO. Basé sur le rapport d'intensité intégral du I _D /Je _G , les densités de défauts de ces échantillons de graphène adoptés peuvent être calculées (tous les résultats et le calcul détaillé sont répertoriés dans le fichier supplémentaire 1 :tableau S1) [15, 16]. Après analyse de ces courbes, on constate que les positions de la bande G du graphite naturel et des 3DGN se situent à 1580 cm ⁻¹ , qui passent à 1600 cm ⁻¹ pour le RGO, confirmant la meilleure qualité des 3DGN par rapport à celle du RGO [17, 18]

Les conductivités thermiques des échantillons TIM résultants sont présentées sur la figure 3, et les propriétés thermiques obtenues sont étroitement liées à l'échantillon RGO adopté. Comparé aux échantillons adoptant le RGO(OH) et le RGO(O), le composite assisté par RGO(OOH) affiche les meilleures performances. La conductivité thermique (5,5 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) de ce dernier est environ ~ 12% plus élevé que celui du premier (la fraction massique de la charge est de 20 % en poids), ce qui prouve que les types de fonctions de surface du RGO exercent une influence significative sur les performances thermiques résultantes du TIM composites. La conductivité thermique du RGO(OOH)-3DGNs-ER tel que préparé est comparée à celle du précédent ER assisté par graphène (encadré de la figure 3), ce qui implique que l'adoption du RGO(OOH) est importante pour atteindre les hautes performances [ 6, 7, 10, 14, 20,21,22,23]. La conductivité thermique augmente encore après l'ajout des 3DGN (6,1 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ), indiquant l'ajout des 3DGN et une rétention sélective des groupes fonctionnels du RGO sont tous deux les déterminants des conductivités thermiques résultantes.

Conductivités thermiques de divers TIM composites tels que préparés avec des fractions massiques croissantes des charges de graphène. Les conductivités thermiques des échantillons de TIM résultants sont illustrées sur la figure et les propriétés thermiques obtenues sont étroitement liées à l'échantillon RGO adopté. Comparé à ces échantillons d'adoption du RGO(OH) et du RGO(O), le composite assisté par RGO(OOH) affiche les meilleures performances. La conductivité thermique (5,5 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) de ce dernier est environ ~ 12% plus élevé que celui du premier (la fraction massique de la charge est de 20 % en poids), ce qui prouve que les types de fonctions de surface du RGO exercent une influence significative sur les performances thermiques résultantes du TIM composites. La conductivité thermique du RGO(OOH)-3DGNs-ER tel que préparé est comparée à celle du précédent ER assisté par graphène (encadré de la figure), ce qui implique que l'adoption du RGO(OOH) est importante pour atteindre les performances élevées [6 , 7, 10, 14, 20,21,22,23]. La conductivité thermique augmente encore après l'ajout des 3DGN (6,1 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ), indiquant l'ajout des 3DGN et une rétention sélective des groupes fonctionnels du RGO sont tous deux les déterminants des conductivités thermiques résultantes

La résistance aux limites de l'interface (δ ) est un paramètre important pour juger de la condition de contact de l'interface. Selon la théorie de Balandin [24], la conductivité thermique des TIM modifiés au graphène peut être calculée par l'équation suivante :

où p représente le pourcentage en volume de la charge de graphène et K , K _g , et K _e sont les conductivités thermiques du composite résultant, du graphène et de l'ER, respectivement. H et δ sont l'épaisseur du graphène et la résistance à la frontière thermique entre le graphène et ER, respectivement. Sur la base des calculs relatifs, on constate que le δ dépend profondément des groupes fonctionnels de surface spécifiques du RGO adopté (énumérés dans le tableau 1), et la plus petite valeur est obtenue à partir de l'échantillon assisté par RGO(OOH). Ces résultats sont en accord avec les résultats de conductivité thermique, confirmant que les types de groupes fonctionnels du RGO exercent une influence significative sur le niveau de contact d'interface entre la matrice et la charge. Comme nous le savons, le groupe carboxyle réagira avec le groupe époxy à une température moyenne, et une liaison chimique se formera entre le RGO(OOH) et l'ER pendant le processus de solidification (110 °C) [14, 25]. De plus, le degré de réduction du RGO est étroitement lié aux performances thermiques résultantes. Le groupe de Wang a prouvé que les groupes fonctionnels du graphène peuvent réduire le décalage des phonons et améliorer l'efficacité du transport thermique entre le plan basal du graphène et le RE dans la théorie [26]. Notre groupe a rapporté la relation entre la quantité totale de groupes fonctionnels du RGO et la conductivité thermique résultante du RGO-ER [19]. Des groupes fonctionnels insuffisants ne peuvent pas fournir un pont efficace pour améliorer la condition de contact d'interface, tandis que la fonction de groupes fonctionnels excessifs peut être ignorée car la quantité totale de phonons est limitée. Récemment, le groupe de Manchado et le groupe d'Araghi ont rapporté une influence similaire du groupe fonctionnel du RGO sur d'autres composites organiques [27, 28]. Après avoir optimisé la quantité totale des groupes fonctionnels de surface (le rapport des atomes de carbone des éléments aux atomes de carbone fonctionnels dans le RGO est C _élément :C _fonctionnel = 1.94:1), la conductivité thermique augmente jusqu'à 6,3 Wm ⁻¹ K ⁻¹ .

Selon l'équation de Balandin, la conductivité thermique résultante est également influencée par les paramètres morphologiques de la charge de graphène. Le groupe de Fu a optimisé la morphologie des RGO (nanoplaquettes) adoptées, ce qui permet d'obtenir des performances thermiques élevées (4,01 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [sept]. De plus, notre groupe a discuté de l'influence détaillée de la taille et de l'épaisseur moyennes du RGO adopté [10]. Une taille moyenne (> 100 nm) et une épaisseur (~ 2 nm) sont recommandées, et la conductivité thermique du TIM résultant augmente à 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ (ce qui est 25 % plus élevé que les valeurs précédemment rapportées) [7, 10]. Selon les données obtenues (Fig. 4a), l'influence sur les conductivités thermiques résultantes de la taille moyenne du RGO est plus remarquable que l'influence de l'épaisseur de la charge, ce qui implique que la zone de contact entre le plan basal du graphène et ER est le déterminant de la performance obtenue. Enfin, les proportions de masse entre les 3DGN et le RGO sont optimisées (10 % en poids pour les 3DGN et 20 % en poids pour le RGO ; bien que la conductivité thermique des TIM résultants augmente presque linéairement avec l'augmentation de la fraction massique de la charge de graphène, une plus grande fraction massique de la charge conduira à une mauvaise adhérence des TIM résultants) pour réaliser la synergie entre eux. Une stabilité élevée des performances thermiques sous une température élevée est vitale aux TIM pour assurer le fonctionnement des dispositifs électroniques à l'état normal. Les conductivités thermiques des TIM tels que préparés avec diverses fractions massiques du RGO (OOH) inférieures à 50 ° C sont répertoriées sur la figure 4b, et aucune dégradation notable ne peut être observée après 7 jours, indiquant la perspective prometteuse pour l'application pratique.

un Relation entre les performances thermiques et la morphologie RGO avec augmentation de la fraction massique de la charge b stabilité de la conductivité thermique des TIM résultants avec diverses fractions massiques de la charge RGO sous 50 °C pendant une longue période. Selon l'équation de Balandin, la conductivité thermique résultante est également influencée par les paramètres morphologiques de la charge de graphène. Le groupe de Fu a optimisé la morphologie des RGO (nanoplaquettes) adoptées, ce qui permet d'obtenir des performances thermiques élevées (4,01 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [sept]. De plus, notre groupe a discuté de l'influence détaillée de la taille et de l'épaisseur moyennes du RGO adopté [10]. Une taille moyenne (> 100 nm) et une épaisseur (~ 2 nm) sont recommandées, et la conductivité thermique du TIM résultant augmente à 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ (ce qui est 25 % plus élevé que les valeurs précédemment rapportées) [7, 10]. Selon les données obtenues (a ), l'influence sur les conductivités thermiques résultantes de la taille moyenne du RGO est plus remarquable que l'influence de l'épaisseur de la charge, ce qui implique que la zone de contact entre le plan basal du graphène et ER est le déterminant de la performance obtenue. Enfin, les proportions de masse entre les 3DGN et le RGO sont optimisées (10 % en poids pour les 3DGN et 20 % en poids pour le RGO ; bien que la conductivité thermique des TIM résultants augmente presque linéairement avec l'augmentation de la fraction massique de la charge de graphène, une plus grande fraction massique de la charge conduira à une mauvaise adhérence des TIM résultants) pour réaliser la synergie entre eux. Une stabilité élevée des performances thermiques sous une température élevée est vitale aux TIM pour assurer le fonctionnement des dispositifs électroniques à l'état normal. Les conductivités thermiques des TIM tels que préparés avec diverses fractions massiques du RGO (OOH) inférieures à 50 ° C sont répertoriées dans b , et aucune dégradation notable ne peut être observée après 7 jours, indiquant la perspective prometteuse pour l'application pratique

Outre la conductivité thermique élevée, une bonne performance mécanique est très importante pour utiliser les TIM tels que préparés à grande échelle. La propriété mécanique intrinsèque élevée du graphène peut être conservée dans les 3DGN en raison de sa taille relativement grande et de sa structure continue entre les feuilles de graphène. Les résistances ultimes (relation déformation-contrainte) et les limites d'étirement du RE vierge et des TIM résultants sont enregistrées (répertoriées dans le tableau 2 ; les fractions massiques des charges RGO et 3DGN adoptées sont de 5 % en poids). Sur la base des rapports du groupe de Dermani et du groupe de Zhu, la présence de groupes fonctionnels de surface de la charge RGO est étroitement liée à la résistance ultime des TIM résultants [29, 30]. Dans cette étude, le composite RGO(OOH)-3DGNs-ER affiche les meilleures performances, indiquant que le contact chimique entre le RGO(OOH) et l'ER est plus fort que celui des autres composites. La résistance ultime de l'échantillon assisté par RGO(OOH) est d'environ 10 % plus élevée que celle des autres TIM. De même, sa limite d'étirement atteint 280 %, ce qui est bien meilleur que celui de l'ER vierge. Par conséquent, les groupes carboxyle à la surface du RGO agissent non seulement comme un pont pour favoriser le transport des phonons entre la charge et la matrice, mais confèrent également aux TIM de bonnes performances mécaniques en raison du contact chimique étroit basé sur ces groupes fonctionnels. De plus, l'adhésivité est une autre propriété cruciale des TIM. Le module de Young et les résistances au cisaillement de l'ER vierge et des échantillons modifiés au graphène sont testés et répertoriés dans le tableau 3. Comme nous pouvons le voir, les performances correspondantes du 3DGNs-ER sont inférieures à celles de l'ER vierge en raison de la mauvaise interface. force d'adhérence entre les 3DGN et l'ER. De même, les performances des échantillons assistés par RGO(O) et RGO(OH) ne sont pas aussi bonnes que celles du RE pur (en raison de l'agglomération des nanofeuillets de RGO), ce qui est en ligne avec les rapports précédents [31 ,32,33]. Selon l'étude de Salom et al., une meilleure résistance des joints peut être obtenue lorsqu'une faible fraction massique de la charge RGO est adoptée pour éviter l'agglomération excessive [33]. Cependant, la faible proportion de la charge de graphène conduit à de mauvaises performances thermiques. Au contraire, la résistance du joint du RGO(OOH)-3DGNs-ER est comparable à celle de l'ER pur, démontrant que la résistance adhésive résultante dépend du type de groupe fonctionnel de la charge RGO adoptée. Sur la base des résultats des tests, le groupe carboxyle plutôt que les groupes hydroxyle et époxy impose un effet positif sur les propriétés mécaniques et adhésives des TIM tels que préparés. La charge RGO(OOH) joue le rôle clé pour améliorer le niveau de contact de l'interface entre le plan basal du graphène et le RE.

Méthodes

Matériaux

Le graphite naturel et l'acétone ont été reçus d'Aladdin Co., Ltd. ER et l'agent de durcissement ont été obtenus commercialement auprès de Sanmu Co. Ltd. (Suzhou, Chine). Du nitrate d'argent, du carbonate de potassium, de l'éthanol, de l'hydroxyde de sodium, du pentoxyde de phosphore, de l'acide chloroacétique, de l'acide chlorhydrique, du permanganate de potassium, du peroxyde d'hydrazine et de l'acide sulfurique ont été achetés à l'usine de réactifs chimiques de Beijing (Pékin, Chine). La méthyléthylcétone et l'hydroxyde de sodium ont été obtenus auprès de Shanghai Chemical Reagent Co. Ltd. (Shanghai, Chine). De l'eau déminéralisée (résistivité 18 MΩ cm) a été utilisée pour préparer toutes les solutions aqueuses.

Préparation

Les échantillons d'oxyde de graphène (GO) sont préparés par la méthode de Hummer modifiée et l'approche rapportée de Zhang, et les principaux groupes sont respectivement le carboxyle et l'hydroxyle [34, 35]. La principale différence entre l'approche de Zhang et celle de la méthode de Hummer est qu'un seul processus d'oxydation est nécessaire pour la première. Brièvement, 1,0 g de graphite naturel est ajouté dans 35 ml de H₂ SO₄ (98 % en poids), suivi de l'ajout de 1,2 g de KMnO₄ . La suspension est agitée pendant 72 h pour engager complètement H₂ SO₄ intercalation. Ensuite, 10,0 ml d'eau déminéralisée sont ajoutés et la température est chauffée jusqu'à 70 °C. Ensuite, 10,0 mL de H₂ O₂ (30 % en poids) est introduit avec un processus d'agitation (5 h). Enfin, une centrifugation et un lavage sont effectués pour obtenir les échantillons GO. Divers agents réducteurs, notamment l'alcool et l'hydrazine, sont utilisés pour réduire les échantillons GO avec des groupes fonctionnels sélectifs. Brièvement, 20 mg d'échantillon de GO sont dispersés dans 50 ml d'éthylène glycol et un traitement de sonication de 60 min est effectué. Ensuite, la suspension est chauffée à 160 °C pendant 5 h sous agitation vigoureuse. Après un processus de centrifugation ultérieur, l'échantillon est lavé trois fois avec de l'eau déminéralisée. Enfin, la pâte obtenue est séchée à 60 °C dans une étuve à vide (les groupes carboxyle et hydroxyle sont conservés, tandis que les groupes époxy sont éliminés). Comme pour l'utilisation de l'hydrazine, tous les groupes fonctionnels sont éliminés sans sélectivité. Brièvement, 2 ml d'hydrazine sont ajoutés dans la solution de 30 ml de GO (2 mg ml ⁻¹ ) goutte à goutte à 98 °C et conservé pendant 4 h. De plus, l'hydroxyde de sodium et l'acide chloroacétique sont adoptés pour contrôler davantage les échantillons RGO avec des groupes fonctionnels conçus [19, 24]. RGO(OOH) :l'échantillon de graphite naturel est préparé par la méthode de Hummer modifiée puis réduit par l'alcool. RGO(OH) :l'échantillon de graphite naturel est préparé par la méthode de Zhang puis réduit par l'alcool. RGO(O) :dans un premier temps, l'échantillon de graphite naturel est préparé par la méthode de Hummer modifiée. Après cela, les groupes hydroxyle sont transférés au groupe carboxyle. Brièvement, de l'hydroxyde de sodium (1,2 g) et de l'acide chloroacétique (1,0 g) sont ajoutés à la suspension RGO (30 mL, 1 mg mL ⁻¹ ) et le mélange est soniqué au bain pendant 2 h. Enfin, les groupes carboxyle du produit intermédiaire sont éliminés par le nitrate d'argent et le carbonate de potassium par la méthode rapportée de Du et al. [36]. La préparation des TIM a été décrite dans nos précédents rapports [14, 19]. Dans un premier temps, l'échantillon de RGO est dispersé dans de l'eau (du lysozyme est ajouté et le pH de la solution est ajusté à 10) [19] et est traité aux ultrasons pendant 10 min. Ensuite, l'échantillon RGO bien dispersé est versé dans le RE sous agitation modérée pendant 10 min. Après agitation, le composite est durci à 110 °C pendant 2 h. L'échantillon 3DGN est préparé par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur [13]. Brièvement, la mousse de nickel est chauffée à 1100 °C sous Ar (300 sccm) et H₂ (150 sccm) atmosphère à 20 °C min ⁻¹ vitesse de chauffage dans un four tubulaire pour réduire la limite de grain du substrat. Ensuite, une petite quantité de CH₄ (10 sccm) est introduit pendant 2 min. Après cela, les échantillons sont refroidis à température ambiante sous Ar (300 sccm) et H₂ (200 sccm) atmosphère et les vitesses de refroidissement sont de 1 °C s ⁻¹ , respectivement. La préparation d'échantillons modifiés 3DGN a été décrite dans nos rapports précédents [10, 12, 14]. En bref, une certaine quantité de 3DGN est placée dans un moule, puis la résine époxy comprenant l'agent de durcissement est déposée sur la surface 3DGN. Après avoir déposé une couche de résine époxy (3DGN est recouvert), quelques 3DGN sont ajoutés à nouveau. Enfin, le mélange résine époxy 3DGNs est durci à 110 ° C pendant 5 h. La préparation des composites co-modifiés par 3DGN et RGO est similaire à celle de l'échantillon modifié par 3DGN en remplaçant le RE pur par le RE ajouté du RGO (la fraction massique du RGO est de 5 à 20 % en poids). La taille moyenne de l'échantillon RGO peut être ajustée en ajoutant un traitement par sonication (0-12 h).

Caractérisation

Les images morphologiques ont été observées au microscope électronique à balayage (MEB, FEI Sirion 200 fonctionnant à 5 kV). Les spectres Raman ont été réalisés par le microspectromètre LabRam-1B Raman à 532 nm. Les profils de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont été enregistrés sur un système PHI-5000C ESCA amélioré RBD. L'analyse laser flash (LFA 2000, Linseis, Allemagne) et la calorimétrie différentielle à balayage (Diamond DSC, PerkinElmer) ont été utilisées pour obtenir les performances thermiques des composites. Les conductivités thermiques des composites préparés sont calculées par l'équation suivante :k = α ∗ ρ ∗ C _P où le k , α , ρ , et C _p représentent respectivement la conductivité thermique, le coefficient de diffusion thermique, la densité et la chaleur spécifique des composites. Les données de α et C _p peuvent être détectés directement à partir de l'analyse flash laser et de la calorimétrie différentielle à balayage. Les propriétés mécaniques de ces composites ont été enregistrées par un instrument d'analyse thermique mécanique dynamique (DMTA, Triton Instrument, Royaume-Uni). Le module de Young a été analysé en mode de flexion double cantilever à l'aide de l'instrument DMTA (Triton Instrument, Royaume-Uni). Les valeurs de résistance des joints des échantillons préparés et de l'ER vierge ont été extraites par le test de cisaillement à recouvrement unique par la norme ASTM D1002-01 avec l'instrument DMTA (Triton Instrument, Royaume-Uni). Brièvement, les pièces en aluminium (100 × 25 × 2 mm ³ ) ont été assemblés en joints de cisaillement à simple recouvrement avec 12,5 mm de longueur de chevauchement. L'épaisseur des TIM était limitée à 0,2 mm ± 0,04 mm, et la dimension du joint chevauchant a été contrôlée à 25 × 12,5 mm ² . Avant le test de résistance des joints, un processus de traitement de surface est effectué pour éliminer la poussière et la graisse sur les surfaces en aluminium [33]. Les pièces en aluminium ont été traitées par le processus de décapage abrasif, le processus de dégraissage (à l'aide de méthyléthylcétone) et le processus de gravure (en utilisant une solution de NaOH (100 g L ⁻¹ ) à 60 °C pendant 5 min).

Conclusions

Le RGO et les 3DGN ont été adoptés pour modifier l'ER afin d'améliorer les performances thermiques des TIM résultants. En contrôlant les types de groupes fonctionnels sur la surface RGO, l'influence correspondante sur le niveau de contact de l'interface est révélée. Parmi tous les TIM tels que préparés, le RGO(OOH) affiche les meilleures performances en raison de la forte activité de réaction du groupe carboxyle (du RGO) et du groupe époxy (du ER) pendant le processus de solidification. De plus, la morphologie (y compris la taille et l'épaisseur moyennes) de la charge RGO est également ajustée pour améliorer encore la propriété thermique. Après l'optimisation correspondante, la conductivité thermique du RGO(OOH)-3DGNs-ER résultant atteint 6,7 Wm ⁻¹ K ⁻¹ , ce qui est 3250% plus élevé que l'ER vierge. Enfin, les propriétés mécaniques et l'adhésivité de ces échantillons préparés sont testées, et les composites ajoutés RGO (OOH) affichent les meilleures performances en raison de la forte liaison formée entre la charge et la matrice. 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.

Abréviations

3DGNs:

Three-dimensional graphene networks

C _p :

Chaleur spécifique

DMTA:

Dynamic mechanical thermal analysis

DSC:

Differential scanning calorimetry

ER:

Epoxy resin

GO :

Oxyde de graphène

k :

Conductivité thermique

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 :

Microscope électronique à balayage

TIMs:

Thermal interface materials

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

α :

Thermal diffusion coefficient

ρ :

Density