Effect of Graphene Nanoplatelet Concentration on the Thermal Conductivity of Silicone Thermal Grease

Abstract

Ми повідомляємо про ефективний шлях до підвищення теплопровідності силіконової термопасти без погіршення її сумісності за рахунок використання високої теплопровідності та механічної гнучкості/пластичності графенових матеріалів. Силіконові термопасти, що містять графенові нанопластинки (ГНП), готувалися із застосуванням високоенергетичного помелу в кульовому млині. Зображення СЕМ показали, що ГНП були добре дисперговані у базовій термопасті. Досліджена теплопровідність термопасти. Отримані результати показали, що ГНП ефективні для підвищення теплопровідності термопаст. Найвище підвищення теплопровідності до 59 % було отримано для термопасти, що містить 0,75 об. % ГНП. Таке підвищення можна віднести до високої теплопровідності ГНП, хорошої сумісності та рівномірного диспергування ГНП у термопасті. Теплопровідність термопасти з більш високою концентрацією ГНП 1 об. % зменшувалася за рахунок утворення кластерів ГНП. Використовуючи модель Чу з підбором міжфазної термостійкості (Rk), ми виявили, що підвищення теплопровідності термопасти стосується термостійкості Rk між ГНП та матрицею термопасти. Найкращий спосіб поліпшити теплопровідність термопасти – це зменшити Rk. Отримані результати продемонстрували переваги ГНП в термопастах для розсіювання тепла в електронних пристроях високої потужності.

We herein report a facile route to improve the thermal conductivity of silicone thermal grease without deteriorating its conformability via exploitation of outstanding thermal conductivity and mechanical flexibility/ductility of graphene materials. The silicone thermal greases containing GNPs were prepared by using the high-energy ball milling process. The SEM images proved that GNPs were well dispersed in the base grease. The thermal conductivity of the thermal greases was investigated and presented. The obtained results demonstrated that GNPs are efficient for the thermal conductivity enhancement of the thermal grease. The highest thermal conductivity enhancement up to 59 % was obtained with the grease containing 0.75 vol. % GNPs. The enhancement could be attributed to high thermal conductivity of GNPs, the good compatibility and uniform dispersion of GNPs in the thermal grease. The thermal conductivity of the thermal grease with higher GNPs concentration of 1 vol. % was decreased due to the formation of GNPs clusters. By using Chu’s model with the interfacial thermal resistance (Rk) fitting, we found that the thermal conductivity enhancement of the thermal grease concerns to the Rk between GNPs and the grease matrix. The best way to improve the thermal conductivity of the thermal grease is to reduce the Rk. The obtained results demonstrated the advantages of GNP in the thermal greases for the heat dissipation in high power electronic devices.