Toward Improved Thermal Conductance of Graphene-Polyethylene Composites via Surface Defect Engineering: a Molecular Dynamics Study

Yangheng XIONG Hao WU Jianshu GAO Wen CHEN Jingchao ZHANG Yanan YUE

Citation:  XIONG Yangheng, WU Hao, GAO Jianshu, CHEN Wen, ZHANG Jingchao, YUE Yanan. Toward Improved Thermal Conductance of Graphene-Polyethylene Composites via Surface Defect Engineering: a Molecular Dynamics Study[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(10): 1150-1156. doi: 10.3866/PKU.WHXB201901002 shu

参杂缺陷石墨烯的高分子复合材料导热特性分子动力学模拟

    通讯作者: 张景超, zhang@unl.edu
    岳亚楠, yyue@whu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51576145)资助项目

    国家自然科学基金 51576145

摘要: 传统高分子材料由于内部分子链无规则缠绕的特点,导致其热导率较小。近年来,拥有高导热特性的新型高分子材料在众多领域都显示出了极大的发展潜力。随着研究的不断深入,具有优秀导热能力的石墨烯等低维碳材料引起越来越多人的关注。引入石墨烯制作的高分子复合材料具有较高的导热性能,在热管理方面具有很大的应用前景。本文使用非平衡态分子动力学方法计算了石墨烯点缺陷对石墨烯-高分子复合材料界面热导和整体热导率的影响。石墨烯层的界面热导受点缺陷密度的影响较大。当石墨烯缺陷密度由0%增大到20%时,其界面热导由75.6 MW·m−2·K−1增加为85.9 MW·m−2·K−1。石墨烯点缺陷造成sp2共价键断裂、结构刚性下降,导致其振动态密度的低频分量增加,增强了与高分子基质间的低频能量耦合,进而提高了界面热导。而点缺陷密度的增大对复合材料整体热导率也具有相似的提升效果(从40.8 MW·m−2·K−1增加为45.6 MW·m−2·K−1)。此外,高分子基体在石墨烯界面处会造成局部密度提高,但石墨烯点缺陷对高分子材料局部密度提升并无显著影响。这些计算结果加深了对石墨烯与高分子基体间导热机理的理解,并有助于开发和设计具有优异热学性能的高分子复合材料。

English

    1. [1]

      Sun, Y.; Shi, G. J. Polym. Sci. B. Polym. Phys. 2013, 51 (4), 231. doi: 10.1002/polb.23226

    2. [2]

      Wang, Y.; Chen, K. S.; Mishler, J.; Cho, S. C.; Adroher, X. C. Appl. Energy 2011, 88 (4), 981. doi: 10.1016/j.apenergy.2010.09.030

    3. [3]

      Zarek, M.; Layani, M.; Cooperstein, I.; Sachyani, E.; Cohn, D.; Magdassi, S. Adv. Mater. 2016, 28 (22), 4449. doi: 10.1002/adma.201503132

    4. [4]

      Henry, A. Annu. Rev. Heat Transfer 2013, 17, 485. doi: 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2013006949

    5. [5]

      Choy, C. Polymer 1977, 18 (10), 984. doi: 10.1016/0032-3861(77)90002-7

    6. [6]

      Wang, X.; Zhang, J.; Chen, Y.; Chan, P. K. L. Nanoscale 2017, 9 (6), 2262. doi: 10.1039/c6nr08682a

    7. [7]

      Poulaert, B.; Legras, R.; Chielens, J.; Vandenhende, C.; Issi, J. Polym. Commun. 1990, 31 (4), 148. doi: 10.1016/0032-3861(78)90032-0

    8. [8]

      Shen, S.; Henry, A.; Tong, J.; Zheng, R.; Chen, G. Nat. Nanotechnol. 2010, 5 (4), 251. doi: 10.1038/nnano.2010.27

    9. [9]

      Xu, Y.; Wang, X.; Zhou, J.; Song, B.; Jiang, Z.; Lee, E. M.; Huberman, S.; Gleason, K. K.; Chen, G. Sci. Adv. 2018, 4 (3), eaar3031. doi: 10.1126/sciadv.aar3031

    10. [10]

      Singh, V.; Bougher, T. L.; Weathers, A.; Cai, Y.; Bi, K.; Pettes, M. T.; McMenamin, S. A.; Lv, W.; Resler, D. P.; Gattuso, T. R. Nat. Nanotechnol. 2014, 9 (5), 384. doi: 10.1038/nnano.2014.44

    11. [11]

      Xu, Y.; Ray, G.; Abdel-Magid, B. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2006, 37 (1), 114. doi: 10.1016/j.compositesa.2005.04.009

    12. [12]

      Han, Z.; Fina, A. Prog. Polym. Sci. 2011, 36 (7), 914. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2010.11.004

    13. [13]

      Lee, G. W.; Park, M.; Kim, J.; Lee, J. I.; Yoon, H. G. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2006, 37 (5), 727. doi: 10.1016/j.compositesa.2005.07.006

    14. [14]

      Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8 (3), 902. doi: 10.1021/nl0731872

    15. [15]

      Ghosh, S.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Pokatilov, E. P.; Nika, D. L.; Balandin, A. A.; Bao, W.; Miao, F.; Lau, C. N. Appl. Phys. Lett. 2008, 92 (15), 151911. doi: 10.1063/1.2907977

    16. [16]

      Hong, Y.; Ju, M. G.; Zhang, J.; Zeng, X. C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20 (4), 2637. doi: 10.1039/c7cp06874c

    17. [17]

      Hong, Y.; Zhang, Z.; Zhang, J.; Zeng, X. C. Nanoscale 2018, 10 (40), 19092. doi: 10.1039/c8nr05703f

    18. [18]

      Zhang, L.; Bai, Z.; Liu, L. Adv. Mater. Interfaces 2016, 3 (13), 1600211. doi: 10.1002/admi.201600211

    19. [19]

      Wang, X.; Zhang, J.; Chen, Y.; Chan, P. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19 (24), 15933. doi: 10.1039/C7CP01958K

    20. [20]

      Han, D.; Wang, X. Y.; Ding, W. Y.; Chen, Y.; Zhang, J. C.; Xin, G. M.; Cheng, L. Nanotechnology 2019, 30 (7), 075403. doi: 10.1088/1361-6528/aaf481

    21. [21]

      Shahil, K. M.; Balandin, A. A. Nano Lett. 2012, 12 (2), 861. doi: 10.1021/nl203906r

    22. [22]

      Kim, S. Y.; Noh, Y. J.; Yu, J. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2015, 69, 219. doi: 10.1016/j.compositesa.2014.11.018

    23. [23]

      Shtein, M.; Nadiv, R.; Buzaglo, M.; Kahil, K.; Regev, O. Chem. Mater. 2015, 27 (6), 2100. doi: 10.1021/cm504550e

    24. [24]

      Wang, Y.; Zhan, H.; Xiang, Y.; Yang, C.; Wang, C. M.; Zhang, Y. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (22), 12731. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b02920

    25. [25]

      Wang, T. Y.; Tsai, J. L. Comput. Mater. Sci. 2016, 122, 272. doi: 10.1016/j.commatsci.2016.05.039

    26. [26]

      Qu, W. D.; Liu, J.; Xue, Y.; Wang, X. W.; Bai, X. L. J. Appl. Polym. Sci. 2018, 135 (4), 45736. doi: 10.1002/App.45736

    27. [27]

      Gass, M. H.; Bangert, U.; Bleloch, A. L.; Wang, P.; Nair, R. R.; Geim, A. Nat. Nanotechnol. 2008, 3 (11), 676. doi: 10.1038/nnano.2008.280

    28. [28]

      Schniepp, H. C.; Li, J. L.; McAllister, M. J.; Sai, H.; Herrera-Alonso, M.; Adamson, D. H.; Prud'homme, R. K.; Car, R.; Saville, D. A.; Aksay, I. A. J. Phys. Chem. B 2006, 110 (17), 8535. doi: 10.1021/jp060936f

    29. [29]

      Tang, X.; Xu, S.; Zhang, J.; Wang, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 (4), 2809. doi: 10.1021/am405388a

    30. [30]

      Kotakoski, J.; Krasheninnikov, A.; Kaiser, U.; Meyer, J. Phys. Rev. Lett. 2011, 106 (10), 105505. doi: 10.1103/PhysRevLett.106.105505

    31. [31]

      Hao, F.; Fang, D.; Xu, Z. Appl. Phys. Lett. 2011, 99 (4), 041901. doi: 10.1063/1.3615290

    32. [32]

      Zhang, J.; Hong, Y.; Yue, Y. J. Appl. Phys. 2015, 117 (13), 134307. doi: 10.1063/1.4916985

    33. [33]

      Chen, S.; Wu, Q.; Mishra, C.; Kang, J.; Zhang, H.; Cho, K.; Cai, W.; Balandin, A. A.; Ruoff, R. S. Nat. Mater. 2012, 11 (3), 203. doi: 10.1038/nmat3207

    34. [34]

      Zhang, H.; Lee, G.; Cho, K. Phys. Rev. B 2011, 84 (11), 115460. doi: 10.1103/PhysRevB.84.115460

    35. [35]

      Yue, Y.; Zhang, J.; Xie, Y.; Chen, W.; Wang, X. Int. J. Heat Mass Transf. 2017, 110, 827. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.082

    36. [36]

      Jiang, J. W.; Wang, B. S.; Wang, J. S. Appl. Phys. Lett. 2011, 98 (11), 113114. doi: 10.1063/1.3567768

    37. [37]

      Plimpton, S. J. Comput. Phys. 1995, 117 (1), 1. doi: 10.1006/jcph.1995.1039

    38. [38]

      Brenner, D. W.; Shenderova, O. A.; Harrison, J. A.; Stuart, S. J.; Ni, B.; Sinnott, S. B. J. Phys. Condens. Matt. 2002, 14 (4), 783. doi: 10.1088/0953-8984/14/4/312

    39. [39]

      Hu, J.; Ruan, X.; Chen, Y. P. Nano Lett. 2009, 9 (7), 2730. doi: 10.1021/nl901231s

    40. [40]

      Sun, H. J. Phys. Chem. B 1998, 102 (38), 7338. doi: 10.1021/jp980939v

    41. [41]

      Liu, J.; Yang, R. Phys. Rev. B 2010, 81 (17), 174122. doi: 10.1103/PhysRevB.81.174122

    42. [42]

      Wang, Y.; Yang, C.; Cheng, Y.; Zhang, Y. RSC Adv. 2015, 5 (101), 82638. doi: 10.1039/C5RA12028D

    43. [43]

      Hoover, W. G. Annu. Rev. Phys. Chem. 1983, 34 (1), 103. doi: 10.1146/annurev.pc.34.100183.000535

    44. [44]

      Shen, X.; Wang, Z.; Wu, Y.; Liu, X.; He, Y. B.; Kim, J. K. Nano Lett. 2016, 16 (6), 3585. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b00722

    45. [45]

      Luo, T.; Lloyd, J. R. Adv. Funct. Mater. 2012, 22 (12), 2495. doi: 10.1002/adfm.201103048

    46. [46]

      Liu, Y.; Huang, J.; Yang, B.; Sumpter, B. G.; Qiao, R. Carbon 2014, 75, 169. doi: 10.1016/j.carbon.2014.03.050

    47. [47]

      Hu, L.; Desai, T.; Keblinski, P. J. Appl. Phys. 2011, 110 (3), 033517. doi: 10.1063/1.3610386

    48. [48]

      Liu, Y.; Hu, C.; Huang, J.; Sumpter, B. G.; Qiao, R. J. Chem. Phys. 2015, 142 (24), 244703. doi: 10.1063/1.4922775

    49. [49]

      Girifalco, L.; Hodak, M.; Lee, R. S. Phys. Rev. B 2000, 62 (19), 13104. doi: 10.1103/PhysRevB.62.13104

    50. [50]

      Chen, S.; Lv, Q.; Guo, J.; Wang, Z.; Sun, S.; Hu, S. Acta Polym. Sin. 2017, (4), 716. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2017.16201

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  589
  • HTML全文浏览量:  53
文章相关
  • 发布日期:  2019-10-15
  • 收稿日期:  2019-01-02
  • 接受日期:  2018-12-04
  • 修回日期:  2019-01-21
  • 网络出版日期:  2019-10-21
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章