[論文レビュー] Thermal Percolation Threshold and Thermal Properties of Composites with Graphene and Boron Nitride Fillers

Kargar, Fariborz, Zahra Barani+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2018

Thermal properties of materials参考文献 76被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、ランダムに配向したグラフェンおよび窒化ホウ素充填剤を高体積分率（最大45 vol.％）で含むエポキシ複合材料における熱的パーコレーションおよび熱伝導度を調査する。20 vol.％を超える熱的パーコレーション閾値が特定され、その領域では熱伝導がパーコレーションする充填剤ネットワークによって支配的になると判明した。グラフェンは窒化ホウ素を上回る性能を示した。予想に反して、2次元充填剤の垂直方向熱伝導度が熱輸送に顕著に寄与することが判明し、高充填率複合材料における熱的パーコレーションのメカニズムを明確にした。

ABSTRACT

We investigated thermal properties of the epoxy-based composites with a high loading fraction - up to f=45 vol.% - of the randomly oriented electrically conductive graphene fillers and electrically insulating boron nitride fillers. It was found that both types of the composites revealed a distinctive thermal percolation threshold at the loading fraction f>20 vol.%. The graphene loading required for achieving the thermal percolation was substantially higher than the loading for the electrical percolation. Graphene fillers outperformed boron nitride fillers in the thermal conductivity enhancement. It was established that thermal transport in composites with the high filler loading, above the thermal percolation threshold, is dominated by heat conduction via the network of percolating fillers. Unexpectedly, we determined that the thermal transport properties of the high loading composites were influenced strongly by the cross-plane thermal conductivity of the quasi-two-dimensional fillers. The obtained results shed light on the debated mechanism of the thermal percolation, and facilitate the development of the next generation of the efficient thermal interface materials for electronic applications.

研究の動機と目的

• グラフェンおよび窒化ホウ素充填剤の高充填率を有するエポキシ複合材料における熱的パーコレーション閾値を理解すること。
• 電気的に導電性であるグラフェンと絶縁性である窒化ホウ素充填剤の間での熱伝導度向上効果を比較すること。
• 熱的パーコレーションを示す複合材料における垂直方向熱伝導度の役割を調査すること。
• 高充填率でランダムに配向した2次元充填剤系における熱的パーコレーションのメカニズムを解明すること。
• 電子機器向け次世代熱界面材料の開発を支援すること。

提案手法

• 最大45 vol.%のランダムに配向したグラフェンおよび窒化ホウ素充填剤を含むエポキシ複合材料の作製。
• 定常状態または一時的測定法（熱的パーコレーション解析に裏付けられる）を用いた熱伝導度の測定。
• 0～45 vol.%の範囲で充填剤含有率を系統的に変化させ、熱的パーコレーション閾値を特定。
• 導電性グラフェンと絶縁性窒化ホウ素充填剤の間での熱輸送挙動を比較。
• 閾値を超えた領域でパーコレーションする充填剤ネットワークによる熱輸送優位性の分析。
• 2次元充填剤の垂直方向熱伝導度が複合材料全体の熱的性能に与える影響の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンおよび窒化ホウ素を含むエポキシ複合材料における熱的パーコレーションは、どの充填剤含有率で発生するか？
• RQ2 グラフェン充填複合材料における熱的パーコレーション閾値は、電気的パーコレーション閾値と比べてどのように異なるか？
• RQ3 2次元充填剤の垂直方向熱伝導度は、高充填率複合材料における熱輸送にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 グラフェンと窒化ホウ素はともに2次元材料であるが、なぜグラフェンの方が熱伝導度向上において優れているのか？
• RQ5 熱的パーコレーション閾値を超えた複合材料で支配的な熱輸送メカニズムは何か？

主な発見

• グラフェンおよび窒化ホウ素複合材料の両方において、20 vol.％を超える充填率で明確な熱的パーコレーション閾値が特定された。
• グラフェン複合材料の熱的パーコレーション閾値は、電気的パーコレーション閾値よりも顕著に高く、異なるパーコレーションメカニズムを示唆した。
• 同等の含有率において、グラフェン充填剤は窒化ホウ素充填剤よりも熱伝導度の向上をより効果的に実現した。
• パーコレーション閾値を超えた複合材料では、熱伝導がパーコレーションする充填剤ネットワークによって支配的となった。
• 2次元に近い充填剤の垂直方向熱伝導度が、全体の熱輸送特性に強く寄与することが判明し、予想に反した。
• 本研究の結果は、議論のあった熱的パーコレーションのメカニズムを解明し、高度な熱界面材料の設計を支援するものである。