[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究探讨了在随机取向石墨烯和氮化硼填料高体积分数（高达45 vol. %）的环氧树脂复合材料中的热渗透行为与热导率。研究识别出热渗透阈值高于20 vol. %，此时热传导通过连续填料网络占主导地位，且石墨烯的性能优于氮化硼；出乎意料的是，二维填料的垂直平面热导率对热传输具有显著影响，从而阐明了高填充量复合材料中热渗透的机理。

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.

研究动机与目标

• 理解石墨烯和氮化硼填料高填充量环氧树脂复合材料中的热渗透阈值。
• 比较导电性石墨烯与绝缘性氮化硼填料在热导率增强方面的差异。
• 研究二维填料的垂直平面热导率在热渗透复合材料中的作用。
• 阐明高填充量、随机取向二维填料体系中热渗透的机理。
• 支持下一代电子器件热界面材料的开发。

提出的方法

• 制备填充量高达45 vol. %的随机取向石墨烯和氮化硼填料的环氧树脂复合材料。
• 采用稳态或瞬态方法测量热导率（热渗透分析隐含此方法）。
• 系统性地改变填料填充量（0至45 vol. %），以识别热渗透阈值。
• 比较导电性石墨烯与绝缘性氮化硼填料在热传输行为上的差异。
• 分析阈值以上通过连续填料网络主导的热传输机制。
• 评估二维填料的垂直平面热导率对整体复合材料热性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯和氮化硼填充的环氧树脂复合材料中，热渗透在何种填料填充量下发生？
• RQ2 石墨烯填充复合材料中，热渗透阈值与电渗透阈值相比如何？
• RQ3 二维填料的垂直平面热导率在高填充量复合材料中对热传输的影响程度如何？
• RQ4 尽管石墨烯和氮化硼均为二维材料，为何石墨烯在提升热导率方面表现更优？
• RQ5 在热渗透阈值以上，复合材料中的主要热传输机制是什么？

主要发现

• 在石墨烯和氮化硼复合材料中，均识别出明确的热渗透阈值，位于填料填充量高于20 vol. %时。
• 石墨烯复合材料的热渗透阈值显著高于其电渗透阈值，表明其具有不同的渗透机制。
• 在相同填充量下，石墨烯填料比氮化硼填料更有效地提升热导率。
• 在热渗透阈值以上的复合材料中，热传输主要由填料连续网络中的热传导主导。
• 二维填料的垂直平面热导率对整体热传输性能具有显著影响，与预期相反。
• 研究结果为热渗透机制的争议提供了新见解，并支持先进热界面材料的设计。