Thermal Transport in Nanostructured Materials : Preparation, Characterization and Simulation

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Philipp, Alexandra:
Thermal Transport in Nanostructured Materials : Preparation, Characterization and Simulation.
Bayreuth , 2023 . - 371 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007181

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Abstract

Nanostructured materials are of rising interest for thermal management applications. As a consequence, new nanomaterials are developed continuously. For their application, an exact knowledge of the thermal transport properties of these new materials is required. In addition, new characterization methods are needed due to the small dimensions of these materials. In my thesis, I present both a theoretical and an experimental approach for the characterization of thermal transport in nanostructured materials: the finite element method (FEM) and lock-in thermography (LIT). Thereby, I investigated nanoscale heat transport phenomena of two promising dielectric nanomaterials: porous colloidal assemblies and fully-dense Bragg stacks. Both are easily processable from aqueous dispersions. Furthermore, they possess highly controlled structural properties. The latter allowed me to study the governing structure-property relationships in great detail.
In the first part of my thesis, I used the FEM to analyze heat transfer through colloidal particle assemblies from a theoretical point of view. Thereby, I supported the experimental characterization conducted by the laser flash analysis (LFA), which was done by two colleagues. Prior to these studies, I proved that the LFA is robust against a variety of non-ideal experimental conditions, some of which occur in measuring colloidal assemblies. This confirmed that the thermal transport properties of this nanomaterial can be precisely measured by the LFA. Subsequently, I simulated the heat transport through a variety of colloidal particle assemblies made of silica hollow spheres, polystyrene particles, and mixtures of silica hollow spheres and latex particles. For a better understanding of the governing processes, we conducted the experiments and simulations under vacuum conditions. From these studies, we derived several parameters which are important for the fabrication of a highly insulating material. Firstly, the particle geometry itself. The studies showed that colloidal crystals made of silica hollow spheres with very thin shells have the best thermal insulation properties compared to all the other tested colloidal crystals. Secondly, the interparticle bonding strength. My simulation confirmed that a reduction of the interparticle bonding strength leads to a significant decrease of the thermal conductivity of the particle assemblies. Thirdly, the order of the particle assembly. We discovered that disordered structures in general exhibit better thermal insulation properties than ordered structures. Furthermore, we found that by mixing two differently-sized polymer particles in an ideal size and mixing ratio, disordered structures with a significant lower thermal conductivity can be achieved. Beside thermal insulation, we investigated thermal percolation effects in particle colloidal assemblies. However, the mixing behavior of same-sized silica hollow spheres with polymer particles just follows the effective medium mixing model. Subsequently, I showed that a very large thermal conductivity ratio of the two particle types is required to actually achieve thermal percolation effects.
In the second part of my thesis, I set up the method lock-in thermography and established the data evaluation process. LIT allows the measurement of the in-plane thermal transport in thin, free-standing films and fibers. Supported by numerical simulations, I demonstrated that even optically semitransparent thin films can be evaluated using the well-known slopes method, although it was originally developed for opaque samples. This allowed me to determine the in-plane thermal conductivity of different optically semitransparent samples. In cooperation with a colleague, who used the photoacoustic method to characterize the cross-plane thermal conductivity, I investigated the anisotropic thermal conductivity of nanostructured, thin films. First, we compared the heat spreading properties of Bragg stacks consisting of highly ordered sodium fluorohectorite platelets to graphene oxide (GO). We found a high in-plane thermal conductivity (5.7 Wm-1K- 1) in direction of the clay platelets and a low cross-plane thermal conductivity (0.2 Wm-1K-1) perpendicular to the layers. This resulted in a promising high thermal conductivity anisotropy of ≈30 for the synthetic clays. This anisotropy ratio is significantly higher than the anisotropy ratio of the GO samples. Subsequently, we studied the anisotropic thermal transport properties of hybrid Bragg stacks made of alternating layers of sodium fluorohectorite and polyvinylpyrrolidone. I showed that, despite the extreme polymer confinement, the in-plane thermal conductivity follows a parallel mixing model and linearly increases with decreasing polymer content from 0.2 Wm-1K-1 to 5.7 Wm-1K-1. However, the introduction of polymer layers into the Bragg stack leads to a strong drop of the cross-plane thermal conductivity. Here, all hybrid samples independent of the polymer layer thickness have an ultralow value of 0.09 Wm-1K-1. This is due to the mixing of unlike materials and the associated introduction of a high number of hard-soft interfaces. In total, we found a maximum thermal conductivity anisotropy of 38 which is quite high for an optically transparent material.
In summary, this thesis showed that the FEM and LIT are two powerful techniques to investigate thermal transport in nanostructured materials. Furthermore, my studies demonstrate that tailored nanostructuring provides access to both highly insulating materials as well as materials with highly anisotropic thermal transport properties.

Abstract in weiterer Sprache

Nanostrukturierte Materialien werden fortlaufend relevanter für Wärmemanagementanwendungen. Durch dieses steigende Interesse werden stetig neue Nanomaterialien entwickelt. Für die spätere Anwendung ist es dringend erforderlich, dass ihre Wärmetransporteigenschaften genau bekannt sind. Aufgrund der kleinen Dimensionen der nanostrukturierten Materialien werden außerdem neue Charakterisierungsmethoden benötigt. In meiner Doktorarbeit präsentiere ich einen theoretischen und einen experimentellen Ansatz, um Wärmetransport in nanostrukturierten Materialien zu analysieren: die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Lock-in Thermografie (LIT). Mithilfe dieser beiden Methoden habe ich nanoskalige Wärmeübertragungsphänomene in zwei vielversprechenden dielektrischen Nanomaterialien untersucht: poröse kolloidale Assemblierungen und dicht-gepackte Bragg-Stapel. Beide Materialien können sehr einfach aus einer wässrigen Dispersion verarbeitet werden. Außerdem besitzen sie sehr kontrollierte strukturelle Eigenschaften. Dies ermöglichte es mir, die vorherrschenden Struktur-Eigenschaft-Beziehungen detailliert zu studieren.
Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich die FEM verwendet, um Wärmetransport in kolloidalen Partikelassemblierungen theoretisch zu analysieren. Dabei unterstützte ich die experimentelle Charakterisierung dieser Materialien, die von zwei Kollegen mithilfe der Laser-Flash-Analyse (LFA) durchgeführt wurde. Zunächst zeigte ich mittels der FEM, dass die LFA auch bei nicht optimalen Bedingungen, wie sie zum Beispiel beim Messen von kolloidalen Assemblierungen auftreten können, zuverlässige Messergebnisse erlaubt. Dieses Ergebnis bestätigte, dass die Wärmetransporteigenschaften dieses Nanomaterials sehr präzise mit der LFA gemessen werden können. Anschließend simulierte ich den Wärmetransport in einer Vielzahl an kolloidalen Partikelassemblierungen. Diese bestanden aus Silikahohlkugeln, Polystyrolpartikel und aus Mischungen von Silikahohlkugeln mit Latexpartikeln. Um die vorherrschenden Prozesse besser verstehen zu können, haben wir die Experimente und Simulationen unter Vakuumbedingungen durchgeführt. Dadurch identifizierten wir einige Stellschrauben, mit denen ein hochisolierendes Material hergestellt werden kann. Hier zu nennen ist die Geometrie selbst. Die Studien zeigten, dass Kolloidkristalle bestehend aus Silikahohlkugeln mit sehr dünnen Schalen die besten Wärmeisolationseigenschaften im Vergleich zu allen anderen getesteten Kolloidkristallen haben. Ein weiterer Parameter ist die interpartikuläre Bindungsstärke. Meine Simulationen bestätigten, dass eine Reduktion der interpartikulären Bindungsstärke zu einer signifikanten Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Partikelassemblierung führt. Letztlich spielt die Ordnung der Partikelassemblierung eine große Rolle. Wir zeigten, dass ungeordnete Strukturen generell bessere Wärmeisolationseigenschaften als geordnete Strukturen besitzen. Außerdem fanden wir heraus, dass durch das Mischen von unterschiedlich großen Polymerpartikeln in einem idealen Größen- und Mischverhältnis ungeordnete Strukturen mit einer deutlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit erhalten werden können. Neben Wärmeisolations-eigenschaften haben wir auch Perkolationseffekte in kolloidalen Partikelassemblierungen untersucht. Das Mischverhalten von gleich großen Silikahohlkugeln und Polymerpartikeln folgte jedoch nur dem Effektiv-Medium-Mischmodell. Ich zeigte anschließend, dass ein sehr großes Wärmeleitfähigkeits-verhältnis der beiden Partikeltypen notwendig ist, um tatsächlich Wärmeperkolationseffekte zu erhalten.
Im zweiten Teil meiner Doktorarbeit baute ich die Lock-in Thermografie auf und etablierte den Datenauswerteprozess. LIT erlaubt die Messung des lateralen Wärmetransports in dünnen Filmen oder auch Fasern. Unterstützt von numerischen Simulationen zeigte ich, dass sogar dünne, optisch semitransparente Filme mit der bekannten Slopes-Methode ausgewertet werden können, obwohl diese ursprünglich für opake Proben entwickelt wurde. In Zusammenarbeit mit einem Kollegen, der die photoakustische Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene anwendete, untersuchte ich die anisotrope Wärmeleitfähigkeit von nanostrukturierten, dünnen Filmen. Wir verglichen zuerst die Wärmeverteilungseigenschaften von optisch semi-transparenten Bragg-Stapel bestehend aus hochgeordneten Natriumfluorhectorit-Plättchen mit denen von Graphenoxid (GO). Wir ermittelten eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene (5.7 Wm-1K-1) in Richtung der Schichtsilikatplättchen und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene (0.2 Wm-1K-1). Dies resultierte in einer vielversprechend hohen Wärmeleitfähigkeitsanisotropie von ≈30 für die synthetischen Schichtsilikate. Dieses Anisotropieverhältnis ist deutlich höher als das der GO-Proben. Anschließend studierten wir die anisotropen Wärmetransporteigenschaften von hybriden Bragg-Stapel, die aus abwechselnden Schichten von Natriumfluorhectorit und Polyvinylpyrrolidon hergestellt wurden. Ich zeigte, dass trotz der extremen Polymereinengung die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene einem parallelen Mischmodell folgt und linear mit zunehmenden Schichtsilikatanteil von 0.2 Wm-1K-1 auf 5.7 Wm-1K-1 zunimmt. Die Einführung von Polymerschichten in den Bragg-Stapel führt zu einem starken Abfall der Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene. Alle Hybridproben zeigen unabhängig von der Polymerschichtdicke einen sehr niedrigen Wert von
0.09 Wm-1K-1. Dies kann auf das Mischen von ungleichen Materialien und der damit verbundenen Einführung einer hohen Anzahl an hart-weich Grenzflächen zurückgeführt werden. Insgesamt ermittelten wir eine maximale Wärmeleitfähigkeitsanisotropie von 38. Dieser Wert ist relativ hoch für ein optisch transparentes Material.