Вплив різних чинників на властивості теплопровідності вуглецевих плівок та волокон
Анотація
Зростаюча популярність вуглецевих нанотрубок створила потребу в більш глибокому науковому розумінні характеристик теплового транспорту в наноструктурних матеріалах. Проте вплив домішок, зміщення та структурних факторів на теплопровідність плівок і волокон вуглецевих нанотрубок досі мало вивчений. Були виготовлені плівки та волокна вуглецевих нанотрубок, і для визначення їх теплопровідності використовувався метод паралельної теплопровідності. Щоб зрозуміти характеристики теплового транспорту в наноструктурному матеріалі було досліджено вплив структури вуглецевих нанотрубок, чистоти та вирівнювання на теплопровідність вуглецевих плівок і волокон. Значення об’ємної маси та площі поперечного перерізу було визначено експериментально. Результати показали, що підготовлені плівки та волокна вуглецевих нанотрубок дуже ефективно проводять тепло. Структура, чистота і вирівнювання вуглецевих нанотрубок відіграють принципово важливу роль у визначенні властивостей теплопровідності вуглецевих плівок і волокон. Одностінні плівки та волокна вуглецевих нанотрубок зазвичай мають високу теплопровідність. Наявність невуглецевих домішок погіршує теплотехнічні характеристики через низький ступінь контакту пучка. Теплопровідність може представляти залежність степеневого закону від температури. Питома теплопровідність зменшується із збільшенням об’ємної маси. При кімнатній температурі досягається максимальна питома теплопровідність, але відбувається Umklapp розсіювання. Питома теплопровідність волокон вуглецевих нанотрубок значно вища, ніж у плівок вуглецевих нанотрубок через підвищений ступінь вирівнювання пучків.
Завантаження
Посилання
T.W. Ebbesen. Carbon nanotubes. Physics Today, 49(6), 26 (1996), https://doi.org/10.1063/1.881603
Y. Ando, X. Zhao, T. Sugai, and M. Kumar. Growing carbon nanotubes. Materials Today, 7(10), 22 (2004), https://doi.org/10.1016/S1369-7021(04)00446-8
K.S. Ibrahim. Carbon nanotubes-properties and applications: A review. Carbon Letters, 14(3), 131 (2013), http://dx.doi.org/10.5714/CL.2013.14.3.131
E. Pop, D. Mann, Q. Wang, K. Goodson, and H. Dai. Thermal conductance of an individual single-wall carbon nanotube above room temperature. Nano Letters, 6(1), 96 (2006), https://doi.org/10.1021/nl052145f
K.K. Koziol, D. Janas, E. Brown, and L. Hao. Thermal properties of continuously spun carbon nanotube fibres. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 88, 104 (2017), https://doi.org/10.1016/j.physe.2016.12.011
B. Kumanek, and D. Janas. Thermal conductivity of carbon nanotube networks: A review. Journal of Materials Science, 54(10), 7397 (2019), https://doi.org/10.1007/s10853-019-03368-0
E.T. Thostenson, C. Li, and T.-W. Chou. Nanocomposites in context. Composites Science and Technology, 65(3-4), 491 (2005), http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.11.003
S. Rathinavel, K. Priyadharshini, and D. Panda. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application. Materials Science and Engineering: B, 268, 115095 (2021), https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095
N. Mingo, D.A. Stewart, D.A. Broido, and D. Srivastava. Phonon transmission through defects in carbon nanotubes from first principles. Physical Review B, 77(3), 033418 (2008), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.033418
C. Sevik, H. Sevinçli, G. Cuniberti, and T. Çağın. Phonon engineering in carbon nanotubes by controlling defect concentration. Nano Letters, 11(11), 4971 (2011), https://doi.org/10.1021/nl2029333
P. Kim, L. Shi, A. Majumdar, and P.L. McEuen. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Physical Review Letters, 87(21), 215502 (2001), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.215502
C. Chang, D. Okawa, H. Garcia, A. Majumdar, and A. Zettl. Breakdown of Fourier's Law in nanotube thermal conductors. Physical Review Letters, 101(7), 075903 (2008), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.075903
K. Sääskilahti, J. Oksanen, S. Volz, and J. Tulkki. Frequency-dependent phonon mean free path in carbon nanotubes from nonequilibrium molecular dynamics. Physical Review B, 91(11), 115426 (2015), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.115426
T.S. Gspann, S.M. Juckes, J.F. Niven, M.B. Johnson, J.A. Elliott, M.A. White, and A.H. Windle. High thermal conductivities of carbon nanotube films and micro-fibres and their dependence on morphology. Carbon, 114, 160 (2017), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.12.006
X. Zhang, W.-X. Zhou, X.-K. Chen, Y.-Y. Liu, and K.-Q. Chen. Significant decrease in thermal conductivity of multi-walled carbon nanotube induced by inter-wall van der Waals interactions. Physics Letters A, 380(21), 1861 (2016), https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.03.040
B. Goh, K.J. Kim, C.-L. Park, E.S. Kim, S.H. Kim, and J. Choi. In-plane thermal conductivity of multi-walled carbon nanotube yarns under mechanical loading. Carbon, 184, 452 (2021), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.047
E. Mayhew, and V. Prakash. Thermal conductivity of high performance carbon nanotube yarn-like fibers. Journal of Applied Physics, 115(17), 174306 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4874737
N. Behabtu, C.C. Young, D.E. Tsentalovich, O. Kleinerman, X. Wang, A.W.K. Ma, E.A. Bengio, R.F.T. Waarbeek, J.J.D. Jong, R.E. Hoogerwerf, S.B. Fairchild, J.B. Ferguson, B. Maruyama, J. Kono, Y. Talmon, Y. Cohen, M.J. Otto, and M. Pasquali. Strong, light, multifunctional fibers of carbon nanotubes with ultrahigh conductivity. Science, 339(6116) 182 (2013), https://doi.org/10.1126/science.1228061
H.E. Misak, and S. Mall. Investigation into microstructure of carbon nanotube multi-yarn. Carbon, 72, 321 (2014), http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.carbon.2014.02.012
A.S. Wu, and T.-W. Chou. Carbon nanotube fibers for advanced composites. Materials Today, 15(7-8), 302 (2012), https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70135-9
H. Zhan, Y.W. Chen, Q.Q. Shi, Y. Zhang, R.W. Mo, and J.N. Wang. Highly aligned and densified carbon nanotube films with superior thermal conductivity and mechanical strength. Carbon, 186, 205 (2022), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.09.069
S. Li, X. Zhang, J. Zhao, F. Meng, G. Xu, Z. Yong, J. Jia, Z. Zhang, and Q. Li. Enhancement of carbon nanotube fibres using different solvents and polymers. Composites Science and Technology, 72(12), 1402 (2012), https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.05.013
B.M. Zawilski, R.T. Littleton IV, and T.M. Tritt. Description of the parallel thermal conductance technique for the measurement of the thermal conductivity of small diameter samples. Review of Scientific Instruments, 72(3), 1770 (2001).
B.M. Zawilski and T.M. Tritt. Dynamic measurement access, a new technique for fast thermal conductivity measurement. Review of Scientific Instruments, 72(10), 3937 (2001), https://doi.org/10.1063/1.1347980
M. Jakubinek, J.F. Niven, M.B. Johnson, B. Ashrafi, K.S. Kim, B. Simard, and M.A. White. Thermal conductivity of bulk boron nitride nanotube sheets and their epoxy-impregnated composites. Physica Status Solidi (a) - applications and materials science, 213(8), 2237 (2016), https://doi.org/10.1002/pssa.201533010
J.-H. Pöhls, M.B. Johnson, M.A. White, R. Malik, B. Ruff, C. Jayasinghe, M.J. Schulz, and V. Shanov. Physical properties of carbon nanotube sheets drawn from nanotube arrays. Carbon, 50(11), 4175 (2012), http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.carbon.2012.04.067
J.F. Niven, M.B. Johnson, S.M. Juckes, M.A. White, N.T. Alvarez. and V. Shanov. Influence of annealing on thermal and electrical properties of carbon nanotube yarns. Carbon, 99, 485 (2016), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.12.014
M.B. Jakubinek, M.B. Johnson, M.A. White, C. Jayasinghe, G. Li, W. Cho, M.J. Schulz, and V. Shanov. Thermal and electrical conductivity of array-spun multi-walled carbon nanotube yarns. Carbon, 50(1), 244 (2012), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.08.041
ISO 1973:2021. Textile fibres - Determination of linear density - Gravimetric method and vibroscope method. Edition: 3, Number of pages: 10, Publication date: 2021, ICS Code: 59.060.01 Textile fibres in general *Including mixtures of fibres.
ASTM D1577-07(2018). Standard test methods for linear density of textile fibers. ASTM International, Book of Standards Volume: 07.01, Developed by Subcommittee: 58, Number of pages: 11, ICS Code: 59.060.01 Textile fibres in general *Including mixtures of fibres.
P. Gonnet, Z. Liang, E.S. Choi, R.S. Kadambala, C. Zhang, J.S. Brooks, B. Wang, and L. Kramer. Thermal conductivity of magnetically aligned carbon nanotube buckypapers and nanocomposites. Current Applied Physics, 6(1), 119 (2006), https://doi.org/10.1016/j.cap.2005.01.053
J. Hone, M.C. Llaguno, N.M. Nemes, and A.T. Johnson. Electrical and thermal transport properties of magnetically aligned single wall carbon nanotube films. Applied Physics Letters, 77(5), 666 (2000), https://doi.org/10.1063/1.127079
F.G. Emmerich. Young's modulus, thermal conductivity, electrical resistivity and coefficient of thermal expansion of mesophase pitch-based carbon fibers. Carbon, 79, 274 (2014), https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.07.068
D. Jang and S. Lee. Correlating thermal conductivity of carbon fibers with mechanical and structural properties. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 89, 115 (2020), https://doi.org/10.1016/j.jiec.2020.06.026
L.M. Ericson, H. Fan, H. Peng, V.A. Davis, W. Zhou, J. Sulpizio, Y. Wang, R. Booker, J. Vavro, C. Guthy, A.N.G. Parra-Vasquez, M.J. Kim, S. Ramesh, R.K. Saini, C. Kittrell, G. Lavin, H. Schmidt, W.W. Adams, W.E. Billups, M. Pasquali, W. F. Hwang, R.H. Hauge, J.E. Fischer, and R.E. Smalley. Macroscopic, neat, single-walled carbon nanotube fibers. Science, 305(5689), 1447 (2004), http://dx.doi.org/10.1126/science.1101398
P. Liu, Z. Fan, A. Mikhalchan, T.Q. Tran, D. Jewell, H.M. Duong, and A.M. Marconnet. Continuous carbon nanotube-based fibers and films for applications requiring enhanced heat dissipation. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(27), 17461 (2016), http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b04114
J. Qiu, J. Terrones, J.J. Vilatela, M.E. Vickers, J.A. Elliott, and A.H. Windle. Liquid infiltration into carbon nanotube fibers: Effect on structure and electrical properties. ACS Nano, 7(10), 8412 (2013), https://doi.org/10.1021/nn401337m
A.E. Aliev, C. Guthy, M. Zhang, S. Fang, A.A. Zakhidov, J.E. Fischer, and R.H. Baughman. Thermal transport in MWCNT sheets and yarns. Carbon, 45(15), 2880 (2007), http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.carbon.2007.10.010
Авторське право (c) 2022 Цзюньцзе Чен
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
