Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
- Tez No: 710900
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN, DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 224
Özet
Bilgisayar ve elektronik endüstrisindeki minyatürizasyon eğilimi aşırı ısınmayı en önemli problem haline getirmiştir. Aşırı ısınma sebebiyle sistemlerin performansının, gücünün ve güvenilirliğinin arttırılması ve daha küçük hacimlerde sistem tasarlamak zorlaşmaktadır. Elektronik sistemlerde artan ısı yükleri, bilgi teknolojileri, iletişim, enerji dağıtım, depolama ve aydınlatma sistemlerinde etkin elektronik soğumanın daha kritik bir konu olmasına sebep olmaktadır. Teknolojideki bu eğilim, mükemmel termal iletkenliğe, yüksek elektriksel dirence ve düşük yoğunluğa sahip çok fonksiyonlu malzemelerin geliştirilmesini önemli hale getirmiştir. Elektronik sistemlerin tek parçalı olmaması, metal, polimer, seramik ve yarıiletken gibi malzemelerden oluşuyor olması, termal arayüz malzemesi kullanımını kaçınılmaz kılmıştır. Yüksek ısı atan elemanlarla bu elemanları soğutan yapılar arasındaki temas alanı mikro düzeydeki düzlemsellik farklarından dolayı %3'e kadar düşebilmektedir. Termal arayüz malzemesi kullanılarak bu temas yüzey alanının arttırılarak termal kontakt direncinin azaltılması ve böylece arayüzden ısı transferinin artması beklenmektedir. Doğru termal arayüz malzemesinin seçimi, elektronik cihazın veriminin belirlenmesinde önem kazanmaktadır. Termal arayüz malzemesinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar ile karmaşık soğutma teknolojilerinin araştırılmasına alternatif çözümler bulunabilmesinin mümkün olduğu değerlendirilmektedir. En uygun termal arayüz malzemesinin seçimiyle sistemin toplam maliyeti, sıvı soğutma sistemlerine duyulan gereksinim, soğutma sistemine ait enerji ihtiyacı azalmakta ve ürünün ömrü uzayabilmektedir. Kompozit malzemeler geleneksel olarak yapısal malzeme kullanımına göre tasarlanmaktadır. Elektronik endüstrisinin hızlı gelişimi, kompozit malzemelerin elektronik uygulamalarda daha fazla yer bulmasını sağlamıştır. Yapısal ve elektronik kompozitlerin özellik gereksinimleri arasındaki fark çok büyük olduğundan, bu iki kompozit grubu arasındaki tasarım kıstasları farklıdır. Yapısal kompozitlerde yüksek dayanım ve yüksek modül önemli olurken, elektronik kompozitlerde ise belirli elektronik uygulamalara bağlı olarak yüksek termal iletkenlik, düşük termal uzama, düşük dielektrik sabiti, düşük/yüksek elektrik iletkenliği, düşük/yüksek elektromanyetik girişim kalkanlama (EMI shielding) etkinliği önemli olmaktadır. Yapısal kompozitlerin panel gibi büyük parçalara işlenebilirliği önemli olurken, elektronik kompozitlerin tek başına film ve kaplama gibi küçük parçalara işlenebilirliği ön plana çıkmaktadır. Polimer matris kompozitlerin elektronik/mikrolektronikteki uygulamaları genel olarak; baskı devre kartları, devre altlıkları, elektronik ambalaj, elektronik kapsül, ısı havuzu, elektrik kontak ve termal ara yüzey malzemelerini içermektedir. Termal kontak direnç, birbiriyle temas eden iki yüzeyde ısının bir yüzeyden diğerine olan iletiminin ne kadar iyi olduğunun göstergesidir. İşlemci ile işlemciye temas eden soğutucu plaka arasındaki termal kontak direnç, işlemci üst yüzey sıcaklığı ile soğutucu taban sıcaklığı arasındaki farkın toplam ısı akısına olan oranı olarak tanımlanmaktadır. Termal kontak direncin azaltılması için başlıca iki metot önerilmiştir. Yüzeyler arasındaki basıncın artırılması veya yüzeylerin pürüzlülüğünün düşürülmesiyle temas alanının arttırılması veya termal arayüz malzemesi kullanılması. Ancak elektronik komponentler üzerindeki temas basıncının arttırılması bu komponentlere zarar verebileceği için ve düşük pürüzlülükte malzeme üretiminin çok pahalı olması sebebiyle temas alanının bu şekilde arttırılması tercih edilen bir yöntem olmamıştır. Bu sebeple iki yüzey arasını doldurabilen ve termal iletkenliği havanın termal iletkenliğinden yüksek olan malzeme kullanımının kontak direnci düşürme açısından daha uygun bir yöntem olacağı değerlendirilmektedir. Bu çalışmada ideal termal arayüz malzemesinin sahip olması gereken özellikler şu şekilde sıralanmıştır; yüksek termal iletkenlik, düşük basınç altında kolayca deforme olarak iki temas yüzeyinin de pürüzlü bölgelerini doldurabilme ve kontak direnci minimize etme, minimum kalınlık, arayüzden dışarı akma yapmaması, uzun ömürlü olması, toksin içermemesi, kolay uygulanabilir ve sökülebilir olması. Termal iletken nanokompozit tasarımında, nano tabaka morfolojisinde hazırlanan silikon nitrür (SN), bir polimer matris katkısı olarak eklenmemiş, modifiye edilmiş silikon nitrür nantabaka (SNNS-R) ve uç-işlevsel polimer matrisler arasında kovalent bağ oluşturulmuş, ve nanokompozit üretiminde dolgu-dolgu etkileşimi gibi, malzemenin daha sonraki işlenebilirliğini olumsuz etkileyebilecek problemlerin de önüne geçilmiş oldu. Silikon nitrür dolgulu termal iletken polimer nanokompozitlerin bir diğer benzersiz özelliği, malzemede yapı-özellik kontrolü sağlayan sentetik bir yaklaşımla üretilmiş olmalarıdır. Başka bir deyişle, silikon nitrür nano tabaka yüzeyinden bağlanan polimer yapısının moleküler ağırlığı, moleküler ağırlık dağılımı ve uç grup işlevselliği kontrol edilebilir özelliktedir. Bu çalışmada önerilen sentetik yaklaşımda, polimer ve nanoparçacık arasındaki ara-yüzey etkileşimini artırmak ve nanodolgu maddesinin matris içinde homojen dağılımını sağlamak için“grafting to”yöntemi uygulanmıştır. Dolgu ve matris arasında kovalent bağ oluşumunu sağlamak için modüler bir sentetik yaklaşım olan Klik Kimyası kullanılmıştır. İletken dolgu maddesi olarak silikon nitrür (Si3N4) nanoparçacık içeren nanokompozitler, üç farklı termoplastik matris kullanılarak üretilmiştir. Bunlardan ilki bir mühendislik polimeri olan, amorf poli(metilmetakrilat) (PMMA), diğer ikisi de yüksek performans polimerlerinden amorf polisülfon (PSU) ve yarı-kristalin poli(eter eter keton) (PEEK)dur. Nanokompozitlerdeki silicon nitrür oranı, termal iletkenlikler ve boyutsal kararlılıklar göz önünde bulundurularak, her polimer matrisi için yapılan formulasyon çalışmaları sonucunda belirlenmiştir. Bu üç nanokompozitin sentezi, beş aşamalı bir prosedürü kapsamaktadır. Bu prosedür; (i) mekanik eksfoliasyon yoluyla silikon nitrür nano tabakaların hazırlanması (SNNS), (ii) SNNS'nin ardışık kimyasal fonksiyonlandırma prosesleriyle modifikasyonu, (iii) uç fonksiyonel polimer matrislerin sentezi, iv) bu uç grupların klik reaksiyonu ile uyumlu olacak şekilde modifikasyonu, v) alkin uç-fonksiyonel polimer matrisler (PMMA-Alkin, PSU-Alkin ve PEEK-Alkin) ile azid fonksiyonel SNNS (SNNS-N3) arasında Bakır Katalizli Azid-Alkin Click reaksiyonu (CuAAC) gerçekleştirilmesi aşamalarını içermektedir. Bu kapsamda tezin ilk aşamasında, polimer ve nanoparçacıklar arasındaki yüzeyler arası etkileşimleri arttırmak, polimer matris içinde nanoparçacıkların homojen dağılımını sağlamak ve yüzey fonksiyonelliğini kolaylaştırmak için silikon nitrür nanoparçacıkları nano tabaka morfolojisinde modifiye edilmiştir. Kimyasal modifikasyon işlemini kolaylaştırmak için, mekanik eksfoliyasyon yöntemi ile partikül boyutu küçültülmüş ve katmanlı formda silikon nitrür nano tabakalar (SNNSs) elde edilmiştir. Belirlenen koşullar altında gerçekleştirilen eksfoliyasyon işlemleri sonucunda izole edilen örneklerin kristalit boyutundaki değişim x-ray kristolografi (XRD) ile takip edilmiştir. Ham silikon nitrür (SN) ve mekanik eksfoliasyon ile nano tabaka haline getirilmiş SN'lerin (SNNSs) yüzey morfolojileri ve kristal yapıları, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile araştırılmıştır. SN ve SNNS'lerin partikül büyüklüğü dağılımı Zetasizer kullanarak, foton korelasyon spektroskopisi (ing. Photon correlation spectroscopy) (PCS) ile araştırılmıştır. Tezin ikinci aşamasında, eksfoliye edilmiş silikon nitrür nano tabakalar (SNNS), nanodolgu yüzeyinde, klik reaksiyonu sırasında yüzeyler arası etkileşimi arttırmada etkili olan, aktif başlatıcı bölgeler oluşturmak için kimyasal modifikasyon işlemlerine tabii tutulmuştur. Bu işlemler sırasıyla, aminasyon, bromo-amidasyon ve azidasyon reaksiyonlarıdır. Tezin üçüncü aşamasında ise, SNNS ile üç farklı polimer matrisin kimyasal bağlanmaa yoluyla nanokompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Poli(metil metakrilat) (PMMA), polisülfon (PSU) ve poli(eter eter keton) (PEEK) gibi polimer fazları ile termal iletken dolgu maddesi olarak silikon nitrür nano tabakalarını içeren polimer nanokompozitler tez kapsamında sentezlenmiş ve fonksiyonel hale getirilmiş, farklı morfolojileri ve yapıları aydınlatılmıştır. Her bir polimer matris için, klik kimyası ve fiziksel harmanlama olmak üzere iki farklı nanokompozit hazırlama yöntemi kullanılmış ve her bir nanokompozit ürünün yapısal analizi karşılaştırılmıştır. Bu nedenle nanokompozitlerin karakterizasyon sonuçları bu iki yöntemin karşılaştırmalarını içermektedir. Bu iki teknik arasındaki farklar, kimyasal etkileşim yaklaşımıyla termal iletken polimer nanokompozit üretiminin üstünlüğünü göstermek için her bölümde ayrıntılı olarak rapor edilmiştir. Poli(metil metakrilat) (PMMA) matrisleri ile termal iletken nanokompozitlerin (PMMA//SNNS ve PMMS-SNNS)'in hazırlanmasında iki sentetik yaklaşım kullanılmıştır: İlk yaklaşımda, yüzey başlatmalı atom transfer radikal polimerizasyon (ing. Surface initiated atom transfer radical polymerization, SI-ATRP) kullanılmıştır. Bu yöntemde, metil metakrilatın (MMA) kontrollü polimerizasyonu için, bir ATRP başlatıcısı olarak davranabilen, SNNS'nin kimyasal modifikasyonu ile elde edilen brom sonlu silikon nitrür (SNNS-Br) kullanılmıştır. Bu sayede, PMMA zincirleri, direk SNNS yüzeyinden büyütülmüştür. İkinci yaklaşımda, metil metakrilatın (MMA)'ın ATRP ile kontrollü polimerizasyonunda, alkin fonksiyonel başlatıcı kullanılmış ve polimer matris direk alkin uç-fonksiyonel olarak (PMMA-Alkin) elde edilebilmiştir. Sonrasında, klik reaksiyon ajanı olarak kullanılabilen, SNNS'nin kimyasal modifikasyon prosesler sonucu elde edilen azid sonlu silikon nitrür (SNNS-N3), PMMA-Alkin ile klik reaskiyonuna tabii tutulmuştur. Polisülfon matrisli nanokompozitleri (PSU-SNNS) hazırlamak için iki aşamalı polisülfon sentez prosedürü gerçekleştirilmiştir. Sentez prosedürünün ilk aşaması, yoğunlaştırma polimerizasyonu ile üç farklı moleküler ağırlığına sahip hidroksil uç-fonksiyonel polisülfon sentezini (PSU-OH), ardından bu uç grupların klik reaksiyonunda kullanılmak üzere, esterifikasyon reaksiyonu ile (Steglich Esterifikasyonu) alkin fonksiyonuna (PSU-Alkin) dönüştürülmesini içerir. Nanokompozit hazırlama aşamasında PSU matris olarak, en iyi termal davranışı veren 9,000 g/mol molekül ağırlıklı PSU-OH (PSU-OH-9000) kullanılmıştır. Nanokompozit hazırlama metodu ve polimer matrisin moleküler ağırlığının nanokompozitin termal davranışı üzerindeki etkisi, karakterizasyon çalışmaları ile incelenmiştir. Poli(eter eter keton) matrisli nanokompozitleri (PEEK-SNNS) hazırlamak için iki aşamalı poli(eter eter keton) sentez prosedürü gerçekleştirilmiştir. Sentez prosedürünün ilk aşaması, yoğunlaştırma polimerizasyonu ile hidroksil uç-fonksiyonel poli(eter eter keton) sentezini (PEEK-OH), ardından bu uç grupların klik reaksiyonunda kullanılmak üzere, esterifikasyon reaksiyonu ile (Steglich Esterifikasyonu) alkin fonksiyonuna (PEEK-Alkin) dönüştürülmesini içerir. Nanokompozit hazırlama metodu ve polimer matrisin moleküler ağırlığının nanokompozitin termal davranışı üzerindeki etkisi, karakterizasyon çalışmaları ile incelenmiştir. Polimer matrislerin ana zincir yapıları ve uç grup fonksiyonaliteleri, proton nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (1H-NMR) ile doğrulandı. Tüm nanokompozitlerin kimyasal yapıları, nanokompozit bileşenleri ve klik kimyasının başarısı, Fourier transform kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ile doğrulandı. Polimer matrislerin molekül ağırlıkları ve molekül ağırlık dağılımları jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) kullanılarak hesaplandı. Polimer matrislerin ve nanokompozitlerin camsı geçiş sıcaklıkları (Tg) diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile belirlendi. Nanokompozitlerin ve öncüllerinin termal kararlılıkları ve kömür verim değerleri, termogravimetrik analiz (TGA) ile gerçekleştirilmiştir. Ham SN ve mekanik eksfoliasyona tabii tutulmuş SN'nin (SNNS) yüzey morfolojileri ve kristal yapıları, ve SNNS'lerin polimer matrisleri içindeki dağılımı, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile araştırıldı. Nanokompozitlerin elektriksel dirençleri (hacim dirençleri), elektrometre kullanılarak ölçüldü. Polimer matrislerin ve nanokompozitlerin viskoelastik davranışları dinamik mekanik analiz (DMA) ile analiz edildi. Yeni termal iletken polimer nanokompozitler, bir termal arayüz malzemesi (TIM) olarak formüle edildi ve bir TIM malzemesi olarak performansları, Termal İletkenlik Analizi (DTC) ile araştırıldı. Kimyasal olarak modifiye edilmiş nanokompozit (PMMA-SNNS, PSU-SNNS ve PEEK-SNNS) bazlı TIM'lerin termal iletkenliğinin, fiziksel olarak harmanlanmış aynı bileşime sahip nanokompozitler (PMMA+SNNS, PSU+SNNS ve PEEK+SNNS) ile hazırlanan TIM'lerden oldukça yüksek olduğu bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Developments in semiconductor industry have revealed thermal management problems causing shrinkage of the components and increased power densities. This tendency in technology has rendered the development of materials, for thermal management, having excellent thermal conductivity, high electrical resistance and low density important. Especially, materials that are light, cost-effective, easily handled and suitable component design with desired thermal and electrical properties, namely polymeric matrix nanocomposites, are regarded as new generation materials for electronic/microelectronic technology components. Among many nano-filling materials used to prepare thermally conductive polymeric nanocomposites, the dielectric ceramic particle, β-phase (hexagonal) silicon nitride (β-Si3N4) (SN), has high thermal conductivity as well as high mechanical strength and high electrical insulating properties where carbon nanotube and graphene cannot provide. Therefore, it attracts attention as a strategic material for electric/electronic applications. In the literature, SN-containing polymeric composite/nanocomposite preparation includes many methods, as SN is added into a commercial thermoplastic polymeric matrix or into thermoset pre-polymer cured lated and shaped by operations such as extrusion or injection molding. Although there are improvements in the thermal conductivity of the material with current methods, especially SN-containing polymeric composites have limitations and problems in their practical applications. One of them is that the advanced handling of the polymer nanocomposite, caused by thermoset matrix and strong filling-filling interactions. The other is the low interaction between filling material and polymeric matrix and low performance caused by the interface. Therefore, for electronic/microelectronic technology, effective surface modification methods and new composite preparing trends providing improvements in electrical, thermal and mechanical properties of the nanocomposite and determination of the microelectronic component performance are important. In the design of thermal conductive nanocomposite, the SN, which was prepared in the nanosheet morphology, was not added as a polymer matrix additive, the covalent bond between the modified SNnanosheet and the end-functional polymer matrices were formed and the problems preventing the further processing of the material such as filling-filling interaction in nanocomposite production were eliminated. The other unique value of the silicon nitride filled thermal conductive polymer nanocomposites is that they were produced by a synthetic approach that provides structure-property control in the material. In other words, the molecular weight, molecular weight distribution, end-group functionality of the polymer structure to be grown onto the surface of SNNSs can be controlled. In the synthetic approach proposed in this work, in order to increase the interphase interactions between the polymer and the nanoparticle and to provide a homogeneous distribution of the nanofiller in the matrix, the“grafting to”method was implemented. Click chemistry was used as an essential tool to form covalent bond between the filler and matrix. A new polymer nanocomposites consisting of silicon nitride (Si3N4) nanoparticle as a conductive filler and poly(methyl methacrylate) (PMMA), polysulfone (PSU) and poly(ether ether ketone) (PEEK) as a polymer matrices were fabricated using“click”chemistry. The synthesis of these three nanocomposites is a five-step procedure including (i) the preparation of silicon nitride nanosheet (SNNS) by mechanical exfoliation, (ii) the modification of SNNS with successive chemical modification processes, (iii) the synthesizing of polymer matrices with end-funtionality, iv) the modification of these end-groups to compatible with click reaction, v) the performing Copper Catalyzed Azide-Alkyne Click reaction (CuAAC) between alkyne functionalized polymer matrices (PMMA-Alkyne, PSU-Alkyne and PEEK-Alkyne) and azide functional SNNS (SNNS-N3). Characterization results confirmed the functionalization of SNNS surface and the successful“grafting to”method using click reaction. The average crystallite sizes of β-Si3N4 and SNNSs obtained from mechanical exfoliation process were calculated using the X-ray diffractometry analysis (XRD) results according to the Debye Scherrer equation. The particle size distribution of SN and SNNSs was investigated by photon correlation spectroscopy (PCS) using Zetasizer. The main-chain structures and end-functionalities of polymer matrices were confirmed by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR). The chemical structres of all nanocomposites, also their precursors and the success of click chemistry were verified by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The molecular weights and polydispersities of polymer matrices were calculated using gel permeation chromatography (GPC). The glass-transition temperatures (Tg's) of polymers and nanocomposites were determined by differential scanning calorimetry (DSC). Thermal stabilities and char yield values of nanocomposites and their precursors were performed on thermogravimetric analyzer (TGA). The surface morphologies and crystal structures of pristine SN and ball-milled SN (SNNS) and the dispersion of SNNSs within the polymer matrices were investigated by scanning electron microscopy (SEM). Electrical resistivities (volume resistivities) of nanocomposites were measured using electrometer. Viscoelastic behaviours of polymer matrices and nanocomposites were analysed by a dynamic mechanic analyzer (DMA). The novel thermal conductive polymer nanocomposites were formulated as a thermal interface material (TIM) and their performance as a TIM material was investigated by Thermal Conductivity Analysis (DTC). It has been found that the thermal conductivity of the chemically modified nanocomposites (PMMA-SNNS, PSU-SNNS and PEEK-SNNS) based TIM is considerably higher than that of TIM prepared with physically blended nanocomposites (PMMA+SNNS, PSU+SNNS and PEEK+SNNS) having the same composition.
Benzer Tezler
- Structural, optical and mechanical properties of polyacrylamide hydrogels doped with multiwalled carbon nanotubes
Çok duvarlı karbon nanotüp katkılı poliakrilamit hidrojellerin yapısal optik ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
MERT CAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DEMET AKTAŞ
- Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- The production of polymer/nanocomposite proton conducting membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (pemfc) applications
Proton iletken membran yakıt hücreleri uygulamarı için proton iletken polimer/nanokompozit membranların üretilmesi
AYŞE ASLAN
- Developing 3D-printable high performance polymer composites for thermal management applications
3B-basılabılır yüksek performanslı polimer kompozitlerin termal yönetim sistemleri için geliştirilmesi
YUNUS EMRE BOZKURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- İletken polimer aşılanmış polifosfazenlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of conducting polymer grafted polyphosphazenes
ELİF BÜŞRA ÇELEBİ
Doktora
Türkçe
2018
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEBAHAT DEMİRHAN
DOÇ. DR. FERDA HACIVELİOĞLU