通过分子动力学模拟设计h-BN / MoS2杂化填充聚二甲基硅氧烷的高热导率

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:18
文章英文标题
Designing high thermal conductivity of Polydimethylsiloxane filled with hybrid h-BN/MoS2 Via Molecular Dynamics Simulation
正文
随着现代电子技术的飞速发展,解决器件散热问题变得越来越迫切。采用全原子模型的反向非平衡分子动力学( RNEMD )模拟研究了二硫化钼( MoS2 )和六方氮化硼( h-BN ) / MoS2杂化填料对聚二甲基硅氧烷( PDMS )热导率的影响。首先,我们模拟了MoS2和BN填料的热导率。研究发现,两种填料的导热系数随其尺寸的增大而增强。外推得到的MoS2和BN的本征热导率分别为52 W / ( m·K )和606 W / ( m·K )。对于1 - 5层,层数对MoS2的热导率几乎没有影响,但随着层数的增加,BN的热导率先减小后达到平台。然后,我们研究了PDMS基复合材料的热导率。由于PDMS / MoS2体系中孔洞的存在,PDMS / MoS2复合材料的热导率与PDMS相比没有太大的提高。因此,我们随后在复合材料中引入了BN / MoS2杂化填料来解决体系中的空隙问题。结果证明该方法是有效的。BN / MoS2复合填料的引入有效地促进了两种填料在PDMS基体中的分散,大大减少了复合材料中的孔洞。与只填充一种填料的复合材料相比,PDMS / BN / MoS2复合材料具有更好的热导率。最令人惊讶的发现是,两种填料存在一个最佳的负载量比,由于空穴体积分数( Φ )的变化,当两种填料的质量比约为1∶1时,复合材料的热导率达到最大,此外,随着混合BN / MoS2填料含量的增加,复合材料的热导率也在增加。振荡剪切还可以促进填料沿剪切方向的取向,提高复合材料沿该方向的热导率。因此,基于BN / MoS2复合纳米填料的复合材料可用于提高绝缘高分子材料的热导率。研究结果对设计和制备具有优异导热和电绝缘性能的聚合物复合材料具有一定的启示。
文章内容(英文)
With the rapid development of modern electronic technology, addressing the heat dissipation problem of devices has become more and more urgent. Herein, the effects of molybdenum disulfide (MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e) and hybrid hexagonal boron nitride (h-BN)/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e fillers on the thermal conductivity of polydimethylsiloxane (PDMS) were investigated by reverse non-equilibrium molecular dynamics (RNEMD) simulation with fully atomistic model. Firstly, we simulated the thermal conductivity of MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e and BN fillers. It was found that the thermal conductivity of the two fillers enhanced with the increase of their sizes. The intrinsic thermal conductivity of MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e and BN obtained via the extrapolation were 52 W/(m·K) and 606 W/(m·K) separately. For 1-5 layers, the number of layers has almost no effect on the thermal conductivity of MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e, but as the number of layers increase, the thermal conductivity of BN first decreases and then reaches a plateau. Then, we studied the thermal conductivity of the PDMS-based composites. Due to the existence of holes in the PDMS/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e system, the thermal conductivity of PDMS/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e composites is not much improved compared with that of PDMS. Therefore, we then introduced a hybrid BN/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e filler into the composite to solve the void problem in the system. The results proved that this method was effective. The introduction of the hybrid BN/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e filler effectively promoted the dispersion of the two fillers in the PDMS matrix and greatly reduced the holes in the composites. Compared with the composites filled with only one kind of filler, PDMS/BN/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e composites possess better thermal conductivity. The most surprising finding is that there exists an optimal loading ratio of the two fillers, and the thermal conductivity of the composite reached the maximum when the mass ratio of the two fillers is approximately 1:1, attributed to the change of the volume fraction of holes(Φ). In addition, with the increase of hybrid BN/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e filler content, the thermal conductivity of the composites is also increasing. The oscillating shear can also promote the orientation of the filler along the shear direction and improve the thermal conductivity of composites along that direction. Therefore, composites based on hybrid BN/MoS\u003csub\u003e2\u003c/sub\u003e nano-fillers can be used to improve the thermal conductivity of insulating polymer materials. The findings should shed some light on the design and preparation of polymer composites with excellent thermal conductivity and electrical insulation properties.
来源出处
Journal|[J]Polymer2021. PP 123697-
DOI
https://doi.org/10.1016/J.POLYMER.2021.123697

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