Сшивающее влияние добавки буры на термические свойства полимера

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16029 (2022) Цитировать эту статью

1551 Доступов

Подробности о метриках

В последнее время материалы на основе полимеров нашли применение в различных областях применения, однако их низкая теплопроводность ограничивает их применение из-за высокого межфазного термического сопротивления. Поэтому в этом исследовании для улучшения термических свойств поливинилового спирта (ПВС) использовались наполнители из одномерных тонкостенных углеродных нанотрубок (1D-TWCNT) и двумерных нанолистов нитрида бора (2D-BNNS). Важным фактором, который следует учитывать при улучшении тепловых свойств ПВС, является стратегия конфигурации межфазной поверхности, которая обеспечивает достаточные пути для транспорта фононов и контролируемую потерю собственных тепловых свойств наноматериала-наполнителя. В данной работе исследовано влияние добавки тетрабората натрия (буры) на термические свойства нанокомпозитов 1D-TWCNT/PVA и 2D-BNNS/PVA. Бура — хорошо известная сшивающая добавка, которую можно использовать с ПВА. Плотность сшивки нанокомпозита ПВС-бура контролировали путем изменения концентрации ионов бората. Добавление буры в нанокомпозиты повышает проводимость нанокомпозитов 1D-TWCNT/ПВС до 14,5% (4 мас.% буры) и нанокомпозита 2D-БННС/ПВС до 30,6% для БННС (2 мас.% буры). Таким образом, при добавлении буры нанокомпозит 2D-БННС/ПВС показал лучшие результаты, чем нанокомпозит 1D-TWCNT/ПВС.

Управление температурным режимом становится все более важным из-за чрезмерного рассеивания тепла, вызванного повышенными требованиями к производительности и высокой плотностью интеграции электрических/электронных устройств1. Зазоры или пустоты присутствуют между электронным компонентом и радиатором из-за неоднородной поверхности, что приводит к высокому сопротивлению теплового интерфейса (Капица)2. Таким образом, материал термоинтерфейса (TIM), используемый между источником тепла и радиатором, играет важную роль в эффективном рассеивании тепла3,4. Материалы на основе полимеров широко используются в ТИМ, особенно из-за их простоты обработки, гибкости и низкой стоимости. Однако теплопроводность материалов на основе полимеров невысока (например, 0,19 Вт/м∙К). Поэтому включение в полимер (матрицу) наноматериалов с высокой теплопроводностью, таких как графен, углеродные нанотрубки (УНТ), нитрид бора и т. д., для использования в качестве ТИМ, является одним из современных направлений исследований по улучшению площади контакта между электронными Компонент и радиатор1. В данном исследовании в качестве наполнителей использовались одномерные тонкостенные УНТ (1D-TWCNT) и нитрид бора (BN).

Одномерные УНТ демонстрируют превосходные характеристики по улучшению теплопроводности благодаря своей превосходной теплопроводности в 1000–3000 Вт/м∙K5,6 в природе. Теплопроводность сильно зависит от образования сплошной проводящей сетки внутри материала. Однако увеличение содержания УНТ вызывает межфазное рассеяние фононов, возникающее в результате стыков УНТ и базовых материалов (например, полимеров), что может ограничивать рост теплопроводности. Поэтому необходимо контролировать долю наполнителя, чтобы в достаточной степени сохранить механические и другие свойства композита при сохранении высокой теплопроводности. В различной литературе в качестве материалов ТИМ предлагались нанокомпозиты на основе УНТ с различными полимерными матрицами, такими как поливиниловый спирт (ПВС), полидиметилсилоксан (ПДМС), полиимид (ПИ), полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), эпоксидная смола7,8. 9,10,11,12. Кроме того, хотя УНТ имеют множество преимуществ с точки зрения теплопроводности, их использование в промышленных целях, требующих электроизоляции теплопроводящих материалов, ограничено, особенно из-за их металлической или полупроводниковой природы.

Двумерный BN считается многообещающим кандидатом в качестве наполнителя, поскольку он является отличным электроизолятором с высокой химической инертностью и межслоевым взаимодействием, а также отличными термическими и механическими свойствами, аналогичными свойствам УНТ13,14. Таким образом, его можно использовать в качестве наполнителя для повышения низкой теплопроводности полимеров ТИМ15,16,17,18,19. h-BN (шестиугольный BN) имеет теплопроводность до 400 Вт/м∙К при комнатной температуре20, что выше, чем у большинства металлических и керамических материалов. h-BN имеет типичные характеристики анизотропии теплофизических свойств (т.е. теплопроводности): высокую плоскостную теплопроводность 300–600 Вт/м∙К в направлении, параллельном плоскости кристалла, и относительно низкую сквозную плоскость. теплопроводность 20–30 Вт/м∙К в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла. Нанолист BN (BNNS) имеет двумерную (2D) структуру, аналогичную геометрической структуре графена21. Эти двумерные структуры можно складывать друг на друга и удерживать вместе силами Ван-дер-Ваальса, в результате чего образуются несколько слоев нанолистов нитрида бора. Поэтому важно организовать каждый слой так, чтобы эффективно сформировать сеть теплопередачи между источниками и поглотителями тепла при использовании нанолистов BN для приложений TIM. Улучшение тепловых свойств ПВС за счет использования вертикально/горизонтально ориентированных BNNS с анизотропными характеристиками было исследовано в предыдущих исследованиях15,16. В данном исследовании в качестве наполнителя для получения нанокомпозита на основе полимера использовался 2D-BNNS. Сшивание ПВС с помощью сшивающего агента, такого как бура, также можно использовать для улучшения термических свойств ПВС. Сшивка ПВС с использованием буры упоминается в литературе22,23.