RGO und dreidimensionale Graphen-Netzwerke modifizierte TIMs mit hoher Leistung gemeinsam

Hintergrund

Graphen-unterstützte Thermal-Interface-Materialien (TIMs) haben aufgrund ihrer hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften zunehmende Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3,4,5]. Kimet al. berichteten, dass die resultierende Wärmeleitfähigkeit 1400 % höher ist als die des reinen Epoxidharzes (ER), und die Gruppe von Joen fand heraus, dass ein zusätzlicher Graphen-Füllstoff von 10 Gew.-% eine hohe Wärmeleitfähigkeit (~ 2 W/mK) bewirkt [3, 4] . Angesichts der theoretischen Wärmeleitfähigkeit dieses einzigartigen Materials von bis zu 5000 W/mK [6] sind die berichteten Ergebnisse jedoch alles andere als zufriedenstellend. Obwohl erwartet wird, dass Graphen während des thermischen Transportprozesses als schneller Transportkanal für Phononen in den TIMs fungiert, fehlt den nanoskaligen RGO-Schichten eine kontinuierliche Struktur, um das Transportnetzwerk zu bilden. Darüber hinaus führen zu viele Grenzflächen der RGO-Nanoblätter zu einem hohen thermischen Gesamtgrenzwiderstand (Kapitza-Streuung), was zu einer starken Phononenstreuung führt [7]. Schließlich führt die hohe Defektdichte der RGO-Nanoblätter aufgrund der heftigen Oxidations-Reduktions-Prozesse auch zu einer zusätzlichen Wärmewiderstandsquelle (Verkürzung der mittleren freien Weglänge von Phononen, Umklapp-Streuung) [8].

Um die hohe Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Graphens voll auszuschöpfen, wurden von unserer Gruppe hochwertige dreidimensionale Graphennetzwerke (3DGNs), die durch die chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden, zur Hybridisierung mit ER eingesetzt [7]. Die besseren thermischen und mechanischen Eigenschaften des 3DGNs-ER (im Vergleich zu denen der RGO-basierten Probe) manifestieren die fatale Bedeutung der geringen Defektdichte und des kontinuierlichen Aufbaus des verwendeten Graphens [9]. Auf der anderen Seite wurde im Zuge der laufenden Studie ein Engpass, ein Bettkontakt zwischen den 3DGNs und ER (eine schlechte Benetzbarkeit der 3DGNs), aufgrund des Fehlens funktioneller Oberflächengruppen der 3DGNs aufgedeckt. Basierend auf unserem aktuellen Bericht kann eine moderate Anzahl von Oberflächendefekten der 3DGNs eine positive Rolle spielen, um den Kontakt zwischen der Graphen-Basisebene und der Matrix zu verbessern [10, 11]. Einige langwierige Anpassungsprozesse, einschließlich einer genauen CH₄ Durchfluss und eine strikte Abkühlgeschwindigkeit des Substrats sind während des CVD-Verfahrens erforderlich [12]. Daher wird natürlich eine Idee vorgestellt, die RGO-Nanoblätter und 3DGNs zu kombinieren, um ihre Vorteile zu nutzen.

In dieser Studie werden die RGO-Nanoblätter und 3DGNs als Füllstoffe verwendet, um die thermische Leistung des resultierenden ER zu verbessern. Die spezifischen Funktionen dieser beiden Modifikatoren werden diskutiert und nachgewiesen. Einerseits stellen die 3DGNs ein schnelles Transportnetzwerk bereit, wodurch der durchschnittliche mittlere Weg von Phononen erhöht wird. Andererseits verbessern die RGO-Nanoblätter auf der 3DGN-Oberfläche den Kontakt an der Grenzfläche der Graphen-Grundebene und ER bemerkenswert, was die Grenzflächenstreuung von Phononen verringert. Die weitere Verbesserung der resultierenden thermischen Leistung, die sich aus der Synergie der RGO-Nanoblätter und 3DGNs ergibt, zeigt, dass die optimierte Verwendung von Graphen eine nützliche Strategie zur Herstellung der Hochleistungs-TIMs ist.

Methoden

Materialien

Nickelschaum mit 300 g ⁻² in Flächendichte und 12 mm Dicke wurde von Haobo Co., Ltd. (Shenzhen, China) bezogen und als Schablone zur Herstellung der 3DGNs verwendet. Ethanol, HCl, FeCl₃ und Poly(methylmethacrylat) (PMMA, durchschnittliches Molekulargewicht 996.000, 4% in Ethyllactat) wurden kommerziell von der Beijing Chemical Reagenzienfabrik (Beijing, China) bezogen. Ethyllactat, natürlicher Graphit, Poly(methylmethacrylat) und Aceton wurden von Aladdin Co., Ltd. bezogen. Polytetrafluorethylen (PTFE) und Natriumdodecylbenzolsulfonat wurden von Huangjiang Co., Ltd. (Dongguan, China) bezogen. ER und Härter wurden von Sanmu Co. Ltd. (Suzhou, China) bezogen. Entionisiertes Wasser (Widerstand 18 MΩcm) wurde verwendet, um alle wässrigen Lösungen herzustellen.

Vorbereitung

Über die Herstellung der RGO-Nanoblätter und 3DGNs wurde von unserer Gruppe berichtet [12,13,14], und weitere Details finden Sie in den ergänzenden Materialien. Der Verbundstoff RGO-3DGNs-ER wurde in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. Erstens wird die Kombination der RGO-Nanoblätter und 3DGNs durch eine einfache hydrothermale Methode erreicht. Eine bestimmte Menge der RGO-Nanoblätter und 3DGNs wurde in 50 ml entionisiertes Wasser gegeben und ein 30-minütiger Ultraschallprozess durchgeführt. Danach wurde 1 mg Natriumdodecylbenzolsulfonat zugegeben, und dann wurde die Mischung für 6 h bei 80 °C für eine hydrothermale Reaktion in ein Teflongefäß überführt. Dann wurde das resultierende Material dreimal mit entionisiertem Wasser gewaschen und die RGO-Nanoblätter wurden auf die Oberfläche der 3DGNs geladen. Zweitens ist die Herstellung des RGO-3DGNs-ER ähnlich wie bei unserem berichteten 3DGNs-ER [7]. Kurz gesagt wurde eine bestimmte Menge von hergestellten RGO-3DGNs in eine Form gegeben und das ER einschließlich des Härters wurde auf die feste Oberfläche getropft. Nach dem Fallenlassen einer Schicht des ER wurden die RGO-3DGNs wieder hinzugefügt. Die beiden Schritte werden drei- oder viermal wiederholt. Das fallengelassene ER dringt durch Kapillarwirkung in die porösen RGO-3DGNs ein. Schließlich wurde die RGO-3DGNs-ER-Mischung 3 h lang bei 110 °C ausgehärtet.

Charakterisierung

Die Morphologie der TIMs wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM, FEI Sirion 200 Rasterelektronenmikroskop, das bei 5 kV arbeitet) und einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM, JEM-2100F, betrieben bei einer Beschleunigungsspannung von 20 kV) erhalten. Die Ergebnisse der Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurden mit Nanoscope IIIa (Digital Instrument, USA) und E-Sweep (Seiko, Japan) im Tapping-Modus aufgezeichnet. Scanning-Raman-Spektren wurden mit dem LabRam-1B Raman-Mikrospektrometer bei 532 nm (Horiba Jobin Yvon, Frankreich) aufgenommen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen wurden an einem RBD-aufgerüsteten PHI-5000C ESCA-System (Perkin Elmer) durchgeführt. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Kurven wurden auf dem IR Prestige-21-System (PerkinElmer) gemessen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundstoffe wurden mit einem Triton DMTA-Instrument (Triton Instrument, UK) aufgezeichnet. Die Tg und der Speichermodul wurden bei einer Frequenz von 1 Hz und einer Heizrate von 5 °C min ⁻¹ . gemessen nach ASTM1640 und im Zugmodus analysiert. Die Abmessungen der Proben betrugen 2 × 4 cm. Laserblitzanalyse und Differentialscanningkalorimetrie wurden verwendet, um die Wärmetransportleistung der hergestellten Verbundwerkstoffe zu analysieren.

Ergebnisse und Diskussion

AFM- und SEM-Bilder der präparierten RGO-Nanoblätter, 3DGNs, RGO-3DGNs und RGO-3DGNs-ER sind in Abb. 1 gezeigt. Die durchschnittliche Größe der RGO-Nanoblätter beträgt 400~600 nm (Abb. 1a), was aufwändig ist entworfen, um mit den 3DGNs durch Anpassung der Oxidations- und Reduktionsverfahren zu kombinieren. Eine kontinuierliche 3D-Konstruktion der 3DGNs ist aus Abb. 1b zu sehen, und ihre poröse Struktur ist deutlich zu erkennen. In Bezug auf das resultierende TIM ist die glatte Oberfläche des RGO-ER aus Abb. 1c zu sehen, und das Fehlen winziger Poren (im Vergleich zu dem des unberührten ER, Einschub in Abb. 1c) weist auf eine potenziell hohe thermische Leistung hin. Abbildung 1d zeigt die Morphologie des RGO-3DGNs-ER, die der des RGO-ER ähnelt. Die 3D-Struktur der 3DGNs ist im REM-Bild schwer zu erkennen, da die 3D-Zwischenräume vom ER ausgefüllt werden. Das 3D-Phonon-Transportnetz (die Funktion der 3DGNs) bleibt jedoch in den TIMs erhalten, was durch unsere früheren Berichte nachgewiesen wurde [7]. Die RGO-Nanoblätter im RGO-3DGNs-ER sollten aufgrund der hydrothermalen Reaktion auf die Oberfläche der 3DGNs geladen werden, was die Voraussetzung für die Ausübung der Funktion (Verbesserung der Benetzbarkeit zwischen der Graphen-Grundebene und dem ER) des RGO . ist Nanoblätter (weitere Details werden im Folgenden besprochen).

Morphologien der RGO-Nanoblätter, 3DGNs und resultierende TIMs. AFM- und SEM-Bilder der präparierten RGO-Nanoblätter, 3DGNs, RGO-3DGNs und RGO-3DGNs-ER sind in Abb. 1 dargestellt. Die durchschnittliche Größe der RGO-Nanoblätter beträgt 400–600 nm a , das durch Anpassung der Oxidations- und Reduktionsverfahren aufwendig mit den 3DGNs kombiniert werden kann. Eine kontinuierliche 3D-Konstruktion der 3DGNs ist aus b . ersichtlich , und seine poröse Struktur wird deutlich gezeigt. Was das resultierende TIM betrifft, so ist die glatte Oberfläche des RGO-ER aus c . ersichtlich , und das Fehlen winziger Poren (im Vergleich zu dem des unberührten ER, Einschub von c weist auf eine potenziell hohe thermische Leistung hin. d Die Morphologie des RGO-3DGNs-ER, die der des RGO-ER ähnlich ist. Die 3D-Struktur der 3DGNs ist im REM-Bild schwer zu erkennen, da die 3D-Zwischenräume vom ER ausgefüllt werden. Das 3D-Phonon-Transportnetz (die Funktion der 3DGNs) bleibt jedoch in den TIMs erhalten, was durch unsere vorherigen Berichte bewiesen wurde. Die RGO-Nanoblätter im RGO-3DGNs-ER sollten aufgrund der hydrothermalen Reaktion auf die Oberfläche der 3DGNs geladen werden, was die Voraussetzung für die Ausübung der Funktion (Verbesserung der Benetzbarkeit zwischen der Graphen-Grundebene und dem ER) des RGO . ist Nanoblätter

Raman-Kurven der verwendeten RGO-Nanoblätter und 3DGNs sind in Abb. 2a gezeigt. Drei Hauptsignale, G-, 2D- und D-Peaks, sind für ersteres zu sehen, während der D-Peak im entsprechenden Muster der 3DGNs schwer zu finden ist. Bei graphitähnlichen Materialien wird der D-Peak durch Defekte hervorgerufen. Daher impliziert das erhaltene Raman-Profil die hohe Qualität der 3DGNs [15, 16]. Das G-Band verbindet sich mit dem E_2g Phonon im Brillouin-Zonenzentrum. Darüber hinaus können die Defektdichte und die durchschnittliche Größe der RGO-Nanoblätter durch das integrierte Intensitätsverhältnis von I . berechnet werden _G /Ich _D [fünfzehn]. Nach Gl. (1) [17],

die durchschnittliche Größe beträgt ~ 500 nm, was mit dem Ergebnis des AFM-Bildes übereinstimmt. Für die RGO-Nanoblätter können zwei Arten von Defekten, einschließlich funktioneller Gruppen und Grenzen, klassifiziert werden. Die Menge der Grenzen wird durch die durchschnittliche Größe der verwendeten RGO-Nanoblätter bestimmt, während die Menge der funktionellen Gruppe vom Reduktionsverfahren abhängt. Weitere Details zum Reduktionsgrad der RGO-Nanoblätter durch XPS-Spektren werden in unseren früheren Berichten und den ergänzenden Materialien diskutiert [7, 8]. Das vergrößerte FTIR ist ein nützliches Werkzeug, um die chemische Bindung zwischen verschiedenen Materialien entsprechend den Intensitäten und Positionen der entsprechenden Signale zu beobachten. Die Hauptadsorptionspeaks und die entsprechenden funktionellen Gruppen des ER sind in Abb. 2b markiert, und die Spektren der RGO-Nanoblätter und 3DGNs sind ebenfalls dargestellt. Die ähnlichen Signale bei ~ 1600 cm ⁻¹ und 3000–3700 cm ⁻¹ werden durch die Skelettschwingung der Graphen-Grundebene und die OH-Streckschwingung von adsorbiertem Wasser induziert [18,19,20]. Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen diesen beiden Profilen besteht darin, dass ein zusätzlicher offensichtlicher Peak bei 1335 cm ⁻¹ aus O=C–OH hervorgeht, ist nur für die RGO-Nanoblätter zu sehen, die aus den funktionellen Oberflächengruppen resultieren [21]. Nach der Kombination mit dem ER verschwindet das O=C–OH-Signal absolut, was darauf hindeutet, dass das Carboxyl auf der Oberfläche der RGO-Nanoblätter mit dem Hydroxyl des ER reagiert, um einen engen chemischen Kontakt zu bilden, der zum schnellen Phononentransport an der Grenzfläche beiträgt zwischen ihnen.

Raman- und FTIR-Kurven der verschiedenen Proben. Raman-Kurven der übernommenen RGO-Nanoblätter und 3DGNs sind in a . gezeigt . Drei Hauptsignale, G-, 2D- und D-Peaks, sind für ersteres zu sehen, während der D-Peak im entsprechenden Muster der 3DGNs schwer zu finden ist. Bei graphitähnlichen Materialien wird der D-Peak durch Defekte hervorgerufen. Daher impliziert das erhaltene Raman-Profil die hohe Qualität der 3DGNs. Das G-Band verbindet sich mit dem E_2g Phonon im Brillouin-Zonenzentrum. Darüber hinaus können die Defektdichte und die durchschnittliche Größe der RGO-Nanoblätter durch das integrierte Intensitätsverhältnis von I . berechnet werden _G /Ich _D . Nach der Berechnung beträgt die durchschnittliche Größe ~ 500 nm, was mit dem Ergebnis der REM-Aufnahme übereinstimmt. Das vergrößerte FTIR ist ein nützliches Werkzeug, um die chemische Bindung zwischen verschiedenen Materialien entsprechend den Intensitäten und Positionen der entsprechenden Signale zu beobachten. Die Hauptadsorptionspeaks und die entsprechenden funktionellen Gruppen des ER sind in b . markiert , und die Spektren der RGO-Nanoblätter und 3DGNs werden ebenfalls präsentiert. Die ähnlichen Signale bei ~ 1600 cm ⁻¹ und 3000–3700 cm ⁻¹ werden von der Skelettschwingung der Graphen-Grundebene und der OH-Streckschwingung von adsorbiertem Wasser induziert. Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen diesen beiden Profilen besteht darin, dass ein zusätzlicher offensichtlicher Peak bei 1335 cm ⁻¹ aus O=C–OH hervorgeht, kann man nur für die RGO-Nanoblätter sehen, die aus den funktionellen Oberflächengruppen resultieren. Nach der Kombination mit dem ER verschwindet das O=C-OH-Signal absolut, was zeigt, dass das Carboxyl auf der Oberfläche der RGO-Nanoblätter mit dem Hydroxyl des ER reagiert, um einen engen chemischen Kontakt zu bilden, der zum schnellen Phononentransport an der Grenzfläche beiträgt zwischen ihnen

Die entsprechenden Wärmeleistungen verschiedener Proben sind in Abb. 3 dargestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des reinen ER beträgt ~ 0,2 W/mK, was weit von den Anforderungen der TIMs in der praktischen Anwendung entfernt ist. Mit den erhöhten Massenanteilen verschiedener Füllstoffe erhöhen sich die resultierenden thermischen Leistungen nahezu linear (Abb. 3a). Darin zeigen die RGO-Nanoblätter und die 3DGNs co-modifizierten Verbundwerkstoffe die beste Leistung bei identischem Massenanteil im Vergleich zu diesen Fällen der Verwendung eines einzelnen Füllstoffs, und der spezifische Wärmeleitfähigkeitswert ist eng mit dem Anteil der 3DGNs und RGO-Nanoblätter verbunden, was a Synergie zwischen ihnen (Abb. 3b). Obwohl sowohl die RGO-Nanoblätter als auch die 3DGNs aus Graphen-Basisblättern aufgebaut sind, verleihen die Unterschiede in der Morphologie dieser beiden Füllstoffe und dem chemischen Zustand der Kohlenstoffatome deren unterschiedliche Funktionen in den TIMs. Einerseits machen die hohe Qualität und die durchgängige Struktur der 3DGNs diese zu einem hervorragenden schnellen Transportnetzwerk für Phononen, was in unseren vorherigen Berichten nachgewiesen wurde [8]. Andererseits ist die Phononentransportfähigkeit des RGO-Füllstoffs aufgrund der hohen Defektdichte und des Fehlens einer kontinuierlichen Struktur schwächer als die der 3DGNs [7]. Daher sind die allgemeinen Leistungen der RGO-Nanoblatt-unterstützten TIMs nicht so gut wie diese Beispiele für die Übernahme der 3DGNs. Oberflächenfunktionelle Gruppen der RGO-Nanoblätter bewirken jedoch einen besseren Kontakt für die Grenzfläche zwischen der Graphen-Grundebene und dem ER, was durch den verringerten thermischen Grenzwiderstand bestätigt werden kann. Basierend auf Balandins Theorie kann die Wärmeleitfähigkeit von Graphen-modifiziertem ER wie folgt ausgedrückt werden [22]:

Wärmeleitfähigkeiten resultierender Verbundwerkstoffe mit erhöhten Massenanteilen an Füllstoffen. Die entsprechenden Wärmeleistungen verschiedener Proben sind in Abb. 3 dargestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des unberührten ER beträgt 0,2 W/mK, was weit von den Anforderungen für die TIMs entfernt ist. Mit den erhöhten Massenanteilen verschiedener Füllstoffe verbessern sich die resultierenden thermischen Leistungen fast linear (a ). Darin zeigen die RGO-Nanoblätter und die 3DGNs co-modifizierten Verbundwerkstoffe die beste Leistung bei identischem Massenanteil im Vergleich zu diesen Fällen der Verwendung eines einzelnen Füllstoffs, und der spezifische Wärmeleitfähigkeitswert ist eng mit dem Anteil der 3DGNs und RGO-Nanoblätter verbunden, was a Synergie zwischen ihnen (b ). Obwohl sowohl die RGO-Nanoblätter als auch die 3DGNs aus Graphen-Basisblättern bestehen, verleihen die Unterschiede in der Morphologie dieser beiden Füllstoffe und dem chemischen Zustand der Kohlenstoffatome deren unterschiedliche Funktionen in den TIMs. Einerseits machen die hohe Qualität und der durchgängige Aufbau des 3DGNs es zu einem hervorragenden schnellen Transportnetzwerk für Phononen, was in unseren vorherigen Berichten bewiesen wurde. Andererseits ist die Phononentransportfähigkeit des RGO-Füllers aufgrund der hohen Defektdichte und des Fehlens einer kontinuierlichen Struktur schwächer als die der 3DGNs

wo p stellt den Volumenprozentsatz des Graphenfüllstoffs dar und K , K _g , und K _e sind die Wärmeleitfähigkeiten des resultierenden Komposits, des Graphens bzw. des ER. H und δ sind die Dicke des Graphens und der thermische Grenzwiderstand zwischen Graphen und ER. Nach der Berechnung ist das ähnliche δ Werte der RGO-ER- und RGO-3DGNs-ER-Proben beweisen, dass die hinzugefügten RGO-Nanoblätter auf der Oberfläche der 3DGNs geladen sind (Abb. 4). Basierend auf unseren früheren Erkenntnissen ist die δ Der Wert der 3DGNs-ER-Probe ist aufgrund des schlechten Kontakts zwischen den 3DGNs und dem ER viel höher als der der RGO-ER [7, 8]. Die funktionellen Gruppen der RGO-Nanoblätter bewirken einen besseren Kontakt an der Grenzfläche, was zu dem kleineren δ . führt verglichen mit dem der 3DGNs-ER-Probe. Die weitere Optimierung des Reduktionsgrads der übernommenen RGO-Nanoblätter wird durchgeführt, und das Verhältnis der Elementkohlenstoffatome zu Kohlenstoffatomen aus funktionellen Gruppen ~ 1,7 wird empfohlen (weitere Details finden Sie in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 und unseren vorherigen Berichten [7, 8]).

Berechneter thermischer Grenzwiderstand der verschiedenen Proben. Der thermische Grenzwiderstand (δ) ist ein wichtiger Parameter, um die resultierenden thermischen Leistungen von TIMs zu bestimmen. Basierend auf Balandins Theorie hängt die Wärmeleitfähigkeit von Graphen-modifiziertem ER eng mit dem Wert von δ zusammen. Nach der Berechnung beweisen die ähnlichen δ-Werte der RGO-ER- und RGO-3DGNs-ER-Proben, dass die hinzugefügten RGO-Nanoblätter auf der Oberfläche der 3DGNs geladen sind (Abb. 4). Basierend auf unseren bisherigen Ergebnissen ist der δ-Wert der 3DGNs-ER-Stichprobe aufgrund des schlechten Kontakts zwischen den 3DGNs und ER viel höher als der der RGO-ER. Die funktionellen Gruppen der RGO-Nanoblätter bewirken einen besseren Kontakt an der Grenzfläche, was zu einem kleineren δ im Vergleich zu dem der 3DGNs-ER-Probe führt

Um den praktischen Arbeitszustand elektronischer Geräte zu simulieren, werden die Leistungen der resultierenden TIMs bei hoher Temperatur erfasst (Abb. 5a). Mit steigender Temperatur sinken die Wärmeleitfähigkeiten aller TIMs aufgrund der verstärkten Umklapp-Streuung. Obwohl gleichzeitig die Kapitza-Grenzstreuung abnimmt (die Wahrscheinlichkeit eines Phonons über die Grenzfläche ist proportional zu \(\sim{e}^{\frac{-E}{KT}}\)), kann die Abnahme die entsprechender Anstieg der Umklapp-Streuung, was zu einer vollständigen Abnahme der Wärmeleitfähigkeit führt. Verglichen mit der 3DGN-unterstützten Probe ist die Stabilität der Wärmeleitfähigkeit der mit RGO-Nanoblättern hinzugefügten Komposite bei hohen Temperaturen aufgrund der empfindlicheren Kapitza-Grenzstreuung (als Ergebnis der mehr Grenzen der RGO-Nanoblätter) besser. Darüber hinaus kann für die thermische Leistung der RGO-3DGNs-ER-Probe nach 240 h kontinuierlichem Arbeiten keine offensichtliche Verschlechterung festgestellt werden (Abb. 5b), was auf die potenziell vielversprechenden Aussichten dieses TIM hindeutet. Die Stabilität des reinen ER während einer langen Arbeitszeit ist auch in Abb. 5b festgehalten. Die ähnlichen Stabilitäten des reinen ER und der resultierenden Komposite (alle Verschlechterungen ihrer Wärmeleitfähigkeit betragen weniger als 10%) weisen darauf hin, dass nach Zugabe der Füllstoffe kein signifikanter Einfluss auf die thermische Stabilität festgestellt werden kann.

Berechneter thermischer Grenzwiderstand der verschiedenen Proben. Um den praktischen Arbeitszustand elektronischer Geräte zu simulieren, werden die Leistungen der resultierenden TIMs bei hoher Temperatur erfasst (a ). Mit steigender Temperatur sinken die Wärmeleitfähigkeiten aller TIMs aufgrund der verstärkten Umklapp-Streuung. Obwohl gleichzeitig die Kapitza-Grenzstreuung abnimmt (die Wahrscheinlichkeit eines Phonons über die Grenzfläche ist proportional zu \(\sim{e}^{\frac{-E}{KT}}\)), kann die Abnahme die entsprechender Anstieg der Umklapp-Streuung, was zu einer vollständigen Abnahme der Wärmeleitfähigkeit führt. Verglichen mit der 3DGN-unterstützten Probe ist die Stabilität der Wärmeleitfähigkeit der mit RGO-Nanoblättern hinzugefügten Komposite bei hohen Temperaturen aufgrund der empfindlicheren Kapitza-Grenzstreuung (als Ergebnis der mehr Grenzen der RGO-Nanoblätter) besser. Darüber hinaus kann keine offensichtliche Verschlechterung der thermischen Leistung der RGO-3DGNs-ER-Probe nach 240 h kontinuierlichem Arbeiten festgestellt werden (b ), was auf die potenziell vielversprechenden Aussichten dieses TIM hinweist. Die Stabilität des reinen ER während einer langen Arbeitszeit ist auch in b . festgehalten . Die ähnlichen Stabilitäten des reinen ER und der resultierenden Komposite (alle Verschlechterungen ihrer Wärmeleitfähigkeiten betragen weniger als 10%) weisen darauf hin, dass nach Zugabe der Füllstoffe kein signifikanter Einfluss auf die thermische Stabilität festgestellt werden kann

Zuletzt werden auch die mechanischen Eigenschaften dieser TIMs erfasst. Die entsprechenden Leistungen, einschließlich der Endfestigkeiten und deren Dehnungsgrenzen, sind in Zusatzdatei 1:Tabelle S1 aufgeführt. Sowohl die 3DGNs-ER- als auch die RGO-3DGNs-ER-Proben weisen die hohe mechanische Festigkeit auf, da die kontinuierliche 3D-Struktur der 3DGNs dazu beiträgt, die herausragenden intrinsischen mechanischen Eigenschaften des Graphens beizubehalten. Nach dem Vergleich der Leistungen der 3DGNs-ER- und RGO-3DGNs-ER-Proben kann wieder geschlossen werden, dass die RGO-Nanoblätter auf der Oberfläche der 3DGNs geladen und nicht in der ER-Matrix verteilt sind, da der Einfluss der hinzugefügten RGO-Nanoblätter ignoriert werden.

Schlussfolgerungen

Die mit RGO-Nanoblättern und 3DGNs co-modifizierten ER wurden hergestellt, um die TIMs herzustellen. Die Vorteile der RGO-Nanoblätter und 3DGNs können voll zum Tragen kommen, um die RGO-Nanoblätter auf die Oberfläche von 3DGNs (durch einen hydrothermalen Prozess) zu laden, anstatt sich in der ER-Matrix zu dispergieren. Das Vorhandensein der 3DGNs bietet nicht nur ein schnelles Transportnetzwerk für Phononen, sondern fungiert auch als Gerüst für die RGO-Nanoblätter. Andererseits verstärken die funktionellen Oberflächengruppen der RGO-Nanoblätter den engen Kontakt zwischen der Graphen-Grundebene und dem ER an ihrer Grenzfläche, was die schlechte Benetzbarkeit der 3DGNs ausgleicht. Daher wird die Wärmeleistung des resultierenden TIM erheblich verbessert (eine hohe Wärmeleitfähigkeit von ~ 4,6 W/mK wird erreicht, wenn 9 Gew.-% 3DGNs und 1 Gew.-% RGO-Nanoblätter hinzugefügt werden, was 10 und 36 % höher ist als in den Fällen von 10 Gew. % 3DGNs und 10 Gew. % RGO-Nanoblatt hinzugefügte Proben) und eine gute Stabilität der thermischen Leistung des resultierenden TIM wird bei hoher Temperatur gezeigt (bei 100 °C beträgt die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit weniger als 25 %). Darüber hinaus weisen die hervorragenden mechanischen Eigenschaften einschließlich hoher Bruchfestigkeit und Dehnungsgrenzen auf die potenziell vielversprechenden Aussichten des vorgestellten TIM hin.