Development of graphene/ceramic hybrid filled heat conductive polymers  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
105995
Type PD
Principal investigator Kovács, József Gábor
Title in Hungarian Grafén/kerámia hibrid töltésű hővezető polimerek fejlesztése
Title in English Development of graphene/ceramic hybrid filled heat conductive polymers
Keywords in Hungarian polimer, hővezetés, hibrid töltés, grafén, CNT, kerámia
Keywords in English polymer, thermal conduction, hybrid filler, graphene, CNT, ceramic
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Plastics technology
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2013-01-01
Closing date 2016-06-30
Funding (in million HUF) 6.456
FTE (full time equivalent) 2.45
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A polimerek rossz hővezetési tulajdonságaik miatt gyakran háttérbe szorulnak más anyagcsaládokkal szemben. A hővezetési képesség javítására több módszer is alkalmazható, amelyek közül a töltőanyagok alkalmazása több szempontból is rendkívül előnyös. Az utóbbi években a polimerek fejlesztési területén a grafén nanorészecskék és a szén nanocsövek alkalmazása új kutatási lehetőségeket indított el.

A kutatás célja olyan hibrid töltőanyaggal rendelkező polimer alapú kompozit anyagok fejlesztése, amelyekben az egyik töltőanyag komponens szén alapú (grafén, szén nanocső). Emellett további cél a különböző méretű (mikro, nano), illetve méret eloszlású töltőanyagok, valamint a belőlük képezhető hibrid rendszerek hővezetésre gyakorolt hatásának feltérképezése. Mindezek során lehetséges az esetleges szinergikus hatások felderítése, továbbá a hibrid töltés hatására bekövetkező anyagszerkezettani változások vizsgálata, új, a jelenségeket pontosabban leíró modellek megalkotása.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hővezető polimerekkel foglalkozó szakirodalmakban többségében egy kompaundon belül csak egyféle töltőanyagot alkalmaztak, így jelenleg csak nagyon kevés információ áll rendelkezésre a hibrid rendszerek, különösképp a nanorészecskék (grafén és nanocső) alkalmazásával létrehozott hibrid rendszerek viselkedéséről.
A kutatás eredményeképp lehetőség nyílik:
- a hibrid töltőanyagok által a polimerek hővezetésére gyakorolt hatásának feltérképezésére,
- a töltőanyagok méreteloszlásának hővezetésre és anyagszerkezeti tulajdonságokra gyakorolt hatásának megismerésére,
- az egyes töltőanyagok eltérő alakja miatt kialakuló hatások vizsgálatára és jellemzésére,
- új, pontosabb leíró modellek megalkotására.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
állítunk elő, amely jó hővezetési tulajdonságokkal rendelkezik. A hibrid töltőanyagrendszerek egymást erősítő hatásának köszönhetően ugyanakkora töltőanyagtartalom mellett sokkal jobb hővezetés érhető el, mint egyféle töltőanyag alkalmazása esetén. A grafén és a szén nanocsövek kiemelkedő tulajdonságai ezt a javulást csak tovább növelik. Továbbá a megalkotott modellek alapján a kompozit anyagok, és így a belőlük készített termékek hővezetési tényezője előre tervezhetővé válik, az adott célnak megfelelően. Ezek a polimer alapú kompozitok számos kiváló tulajdonsággal rendelkeznek, úgymint a vegyszerállóság, kis sűrűség, a könnyű feldolgozhatóság és a jó hővezető képesség. Ennek köszönhetően új lehetőségeket nyitnak a hagyományos fém alkatrészek kiváltására számos alkalmazásban, mint például az elektromos motorok egyes alkatrészeiben, modern teljesítményelektronikában, hőcserélőknél, mikroelektronikában, és még sok egyéb területen.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mai felgyorsult világ technológiai fejlesztéseinek köszönhetően egyre kisebb méretű és mindinkább nagyobb teljesítményű eszközök látnak napvilágot. A gyors fejlődésnek köszönhetően a hőelvonás egyre nagyobb gondot jelent a mikroelektronikában, ugyanis a keletkezett hő nagymértekben befolyásolja az eszközök élettartamát. Köztudott, hogy a polimerek jó hőszigetelők. A hővezető kompozitok úgy állíthatók elő, hogy a szigetelő mátrixanyagban nagy hővezetési tényezővel rendelkező anyagokat oszlatunk el egyenletesen. Ilyen módon jelentős javulást érhetünk el a vezetőképesség tekintetében. Ezáltal a hővezető polimerek sokoldalú előnyös tulajdonságaik miatt egyre nagyobb figyelmet kapnak az ipar számos területén. Ilyen előny lehet (a fémekkel szemben) például a vegyszerállóság, kis sűrűség (ezáltal ki súly) és a könnyű feldolgozhatóság. Így a hővezető polimer kompaundok több területen is új lehetőségeket nyitnak a fém alkatrészek helyettesítésében: elektromos motorok egyes alkatrészei, modern teljesítményelektronika, hőcserélők, mikroelektronika, és még sok egyéb terület.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
It is well known that the polymer materials are good thermal insulators. This behavior is a remarkable drawback contrary to other materials. There are some different methods to increase the thermal conductivity of these insulator polymers. Dispersing conductive fillers in the matrix material seems to be the most efficient process of them. In the recent years, graphene nanoplates (GNPs) and carbon nanotubes (CNTs) offer new possibilities in material science to improve the properties of polymer materials.

The goal of this research is to develop polymer materials containing hybrid fillers, of which one of the main components is carbon based filler (graphene or carbon nanotubes). Further aim is to discover the effect of different sized (micro and nano) fillers and different sized hybrid fillers on thermal conductivity of composites. Beside this, other aim is to establish the synergetic behavior of different fillers in a hybrid system, analyze its effect on the morphology of composit and prepare new models to predict the thermal conductivity more precisely.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the literature - about the thermally conductive polymers – almost all researchers use only single filler in a composite material. Thus only little information is about the effect of hybrid fillers, oddly of nano sized materials (graphene and carbon nanotubes) on behavior of polymers.
As a result of the research new possibilities will be achieved for:
- discovering the effect of hybrid fillers on thermal conductivity of polymers,
- study the effect of size distribution of fillers on thermal conductivity,
- investigating the effect of different shaped fillers on the behavior of polymers,
- new models for prediction of thermal conductivity of polymers.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
As a result of the research, a new, injection moldable polymer composite material will be developed, which has a good thermal conduction. Thanks to the synergetic behavior of the multi-component (hybrid) fillers, higher thermal conductivity can be achieved than filling single fillers into the matrix, using the same amount of filler. Thanks to the superior properties of graphene and carbon nanotubes, more better properties can be obtained. Furthermore according to the developed models, the thermal conductivity of the materials and hereby the products can be designed. Thanks to the unique properties of these polymer composites, such as resistance to chemicals, light weight and easy processibility, good thermal conduction, they offer new possibilities for replacing metal parts in several applications: electric motors, power electronics, heat exchangers, microelectronics, and many others.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Recently the developments in technology result smaller devices with higher performance. Thanks to this advance the heat dissipation in the electronic packaging, mainly in the microelectronics is an important issue. Beside this the heat dissipation has a great influence on the lifespan of the products. It is well known that the reliability of devices is exponentially dependent on its operating temperature, so a small difference in operating temperatures can halve the lifespan of the devices. It is well known that the polymer materials are good thermal insulators. Generally conductive polymer composites are obtained dispersing conductive fillers into insulating polymer matrix. These fillers can increase the thermal behavior of polymers significantly. Because of these, the polymer based composite materials which have high thermal conductivity attract more and more attentions. Interest in using polymers for other electrical applications has increased due to their advantageous properties such as resistance to chemicals, light weight and easy processibility. Thermally conductive polymer composites offer new possibilities for replacing metal parts in several applications: electric motors, power electronics, heat exchangers, microelectronics, and many others.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás célja új, hővezető, de elektromosan szigetelő polimer kompozitok fejlesztése és jellemzése volt. A vizsgálatokhoz két új hővezetésmérő berendezést építettünk, majd kalibráltunk, hogy a kompozitok hővezetési tényezőjét meg tudjuk határozni. A töltött polimerek viszkozitásának növekedése révén a feldolgozási módszer korlátozza az alkalmazható maximális töltőanyagtartalmat, ezáltal az elérhető hővezető képességet is. Több módszert is kidolgoztunk, hogy ezt a határt megnöveljük. Az első megoldás a hibrid rendszerű töltőanyagok alkalmazása, ahol a kialakult szinergikus hatás tovább növeli a hővezetési tényezőt. Talkum és bór-nitrid töltőanyag megfelelő arányának alkalmazásával jelentősen nagyobb hővezető képességet értünk el, mint az a keverékszabály alapján várható volt. A második megoldás a szemcsék felületkezelése volt. Bór-nitridre több, szilán-alapú felületkezelési módszert is kidolgoztunk, amelyekkel 5-30%-os hővezetés javulást értünk el. A harmadik eljárás a mátrixanyag viszkozitásának módosítása volt. A keverékszabályból kiindulva kidolgoztunk egy saját modellt is, amelynek alkalmazhatóságát különböző lap-szerű töltőanyagokkal (talkum, bór-nitrid és grafit) bizonyítottuk. Megállapítottuk, hogy a kidolgozott modell pontosabban előrejelzi a kompozit anyagok hővezetési tényezőit, mint a hagyományosan alkalmazott elméleti modellek. Az új modell bemenő paramétereinek meghatározásához újszerű mérőeszközöket és mérési eljárásokat is kifejlesztettünk.
Results in English
The aim of the research was the development and characterization of new thermally conductive and electrically insulating polymer composites. As a first step, two different thermal conductivity measurement apparatus were built, calibrated and tested, to be able to determine the exact thermal conductivity of the materials. The processing methods limit the achievable filler content in the polymers due to the increase in melt viscosity. Several methods have been developed to increase thermal conductivity limited by the processing method. The first solution is the use of hybrid fillers, where the synergetic effect increases thermal conductivity. With the proper mixture of the components, a significantly higher thermal conductivity was achieved than that predicted by the rule of mixtures. The second solution is the surface treatment of the particles. The increment of thermal conductivity was 5-30% depending on the methods, while viscosity decreased. The third solution is to decrease the viscosity of the matrix. We developed a semi-empirical mathematical model from the rule of mixtures. The correctness of the model was proved with various plate-shaped fillers, which have significantly different thermal conductivities. It was found that the new model predicts the thermal conductivity of composites more precisely than conventionally used theoretical models. To determine the input parameters of the model, new methodologies were developed and novel measurement systems were used.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105995
Decision
Yes





 

List of publications

  
Hatos István, Kovács József Gábor: Szinterezett fém alkatrészek felületi érdessége és méretpontossága a gyártási orientáció függvényében, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2013-XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó . Arad, Románia, 2013.04.25-2013.04.28. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, 2013. pp. 146-149., 2013
J G Kovács, A Suplicz: Thermally Conductive Polymer Compounds for Injection Moulding: Synergetic Effect of Hexagonal Boron Nitride and Talc, J REINF PLAST COMP 32: (16) 1234-1240, 2013
Kovács JG, Suplicz A: Improved thermal properties with hybridization of the fillers for thermoplastic materials, In: Hoa S, Hubert P (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 19th International Conference on Composite Materials . Montreal, Canada, Kanada, 2013.07.28-2013.08.02. Kiadvány: Montreal, Canada: Canadian Association for Composite Structures and Materials, 2013. pp. 4011-4018., 2013
Suplicz A, Szabó F, Kovács J G: Anyagvizsgálati módszerek fejlesztése fröccsöntési alkalmazáshoz, MŰA GUMIIP ÉVKV 11: 114-121, 2013
Suplicz András, Szabó Ferenc, Kovács József Gábor: Hővezető polimerek fejlesztési lehetőségei és vizsgálati módszerei, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2013-XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó . Arad, Románia, 2013.04.25-2013.04.28. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, 2013. pp. 346-349., 2013
Szabó Ferenc, Suplicz András, Kovács József Gábor: Anyagtulajdonságok újszerű mérési lehetőségei, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2013-XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó . Arad, Románia, 2013.04.25-2013.04.28. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, 2013. pp. 350-353., 2013
Zsíros L, Kovács J G: Fröccsöntő gépek homogenizáló képességének optimalizálása, MŰANYAG ÉS GUMI 50: (9) 347-350, 2013
Zsíros László, Kovács József Gábor: Fröccsöntött termékek színegyenetlenségének mérése, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) OGÉT 2013-XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó . Arad, Románia, 2013.04.25-2013.04.28. Kiadvány: Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, 2013. pp. 454-457., 2013
Suplicz A, Kovács J G: Hővezető polimerek az elektrotechnikában: Hibrid rendszerű töltőanyagok alkalmazásának előnyei, MŰANYAG ÉS GUMI 51: (4) 156-160, 2014
Szabó F, Kovács J G: Új lehetőségek a pvT tulajdonságok meghatározására, MŰANYAG ÉS GUMI 51: (2) 47-51, 2014
Szabo Ferenc, Kovacs Jozsef G: Development of a Pressure-Volume-Temperature Measurement Method for Thermoplastic Materials Based on Compression Injection Molding, J APPL POLYM SCI 131: (23) , 2014
Tábi Tamás, Égerházi András Zoltán, Tamás Péter, Czigány Tibor, Kovács József Gábor: Investigation of injection moulded poly(lactic acid) reinforced with long basalt fibres, COMPOS PART A-APPL S 64: 99-106, 2014
Tábi Tamás, Kovács Norbert Krisztián, Kovács József Gábor: Basalt fibre reinforced poly(lactid acid) based composites for engineering applications, In: 16th European Conference on Composite Materials . Sevilla, Spanyolország, 2014.06.22-2014.06.26. Kiadvány: 2014. pp. 1-8., 2014
Tábi Tamás, Suplicz András, Czigány Tibor, Kovács József Gábor: Thermal and mechanical analysis of injection moulded poly(lactic acid) filled with poly(ethylene glycol) and talc, J THERM ANAL CALORIM 118: 1419-1430, 2014
Vad J, Horváth Cs, Kovács J G: Aerodynamic and aero-acoustic improvement of electric motor cooling equipment, P I MECH ENG A-J POW 228: (3) 300-316, 2014
Zink B, Szabó F, Hatos I, Hargitai H, Kovács J G: DMLS szerszámbetétek szimulációs vizsgálata, MŰANYAG- ÉS GUMIIPARI ÉVKÖNYV 12: 80-87, 2014
Zsíros L, Suplicz A, Romhány G, Tábi T, Kovács J G: Development of a novel color inhomogeneity test method for injection molded parts, POLYM TEST 37: 112-116, 2014
Suplicz A, Hargitai H, Kovacs JG: Methodology development for through-plane thermal conductivity prediction of composites, INT J THERM SCI 100: 54-99, 2016
Tábi Tamás, Kovács Norbert Krisztián, Sajó István Endre, Czigány Tibor, Hajba Sándor, Kovács József Gábor: Comparison of thermal, mechanical and thermomechanical properties of poly(lactic acid) injection-molded into epoxy-based Rapid Prototyped (PolyJet) and conventional steel mold, J THERM ANAL CALORIM 123: (1) 349-361, 2016
Ákos Oroszlány, Péter Nagy, József Gábor Kovács: Compressive Properties of Commercially Available PVC Foams Intended for Use as Mechanical Models for Human Cancellous Bone, ACTA POLYTECH HUNG 12: (2) 89-101, 2015
Kovács József Gábor, Szabó Ferenc, Kovács Norbert Krisztián, Suplicz András, Zink Béla, Tábi Tamás, Hargitai Hajnalka: Thermal simulations and measurements for rapid tool inserts in injection molding applications, APPL THERM ENG 85: 44-51, 2015
SUPLICZ András, SZABÓ Ferenc, KOVÁCS József Gábor: Matematikai modell kidolgozása polimer kompozitok hővezetési tényezőjének becslésére, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) XXIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2015. Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2015. pp. 321-324., 2015
T Tabi, A Suplicz, F Szabo, N K Kovacs, B Zink, H Hargitai, J G Kovacs: The analysis of injection molding defects caused by gate vestiges, EXPRESS POLYM LETT 9: (4) 394-400, 2015
ZINK Béla, KOVÁCS Norbert Krisztián, KOVÁCS József Gábor: Hűtőkörök hatása a fröccsöntési technológiára, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) XXIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2015. Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2015. pp. 411-414., 2015
ZSÍROS László, TÖRÖK Dániel, KOVÁCS Jószef Gábor: Színegyenetlenség mérésére alkalmas mérőrendszer fejlesztése és alkalmazása statikus keverők minősítésére, In: Dr Csibi Vencel-József (szerk.) (szerk.) XXIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2015. Kolozsvár: Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT), 2015. pp. 415-418., 2015



Back »