31380

بررسي آزمايشگاهي و شبيه سازي ديناميك مولكولي ساخت و اصلاح سيلاني نانوصفحات بورون نيتريد و اثر آن بر خواص حرارتي لاستيك سيليكوني

دكتري

مهندسي شيمي

1397

1403/04/03

دكتر مسعود جمشيدي

ندارم

مهندسي شيمي، نفت و گاز

استفاده از لاستيك سيليكوني، به دليل عايق الكتريكي بودن، در صنعت الكترونيك بسيار مورد توجه است، اما بررسي‌ها نشان مي‌دهند كه پايين بودن رسانايي حرارتي لاستيك سيليكوني مي‌تواند منجر به متمركز شدن حرارت در يك محل و سوختگي شده و طول عمر آن را كاهش دهد. بورون نيتريد جزء نانومواد دو بعدي و از خانواده‌ي مواد سراميكي بوده كه ويژگي اصلي آن رسانايي حرارتي بالا(حدود 500 W/m.K) در عين عايق الكتريكي بودن است. در پژوهش حاضر، نانوصفحات كلوخه بورون نيتريد ابتدا تحت روش لايه برداري شيميايي ( استفاده از حلال براي لايه برداري) قرار گرفت. ماهيت شيميايي، بلورين و موفولوژيكي نانوصفحات لايه برداري شده با كمك مشخصه يابي‌هاي مختلف بررسي شد. سپس نانوصفحات، با گروه عاملي هيدروكسيل عامل دار شده و با سيلان وينيلي در غلظت‌هاي مختلف اصلاح سطح شدند. در ادامه خواص فيزيكي، مكانيكي، الكتريكي و حرارتي نانوكامپوزيت‌هاي لاسيتيك سيليكوني حاوي مقادير مختلف بورون نيتريد خالص، هيدروكسيله، سيلاني و لايه برداري/ سيلاني شده با لاستيك خالص مقايسه شد. نتايج نشان داد كه بيشترين نسبت پيوندزني سيلان وينيلي در غلظت10 برابر مقدار استوكيومتري براي هر دو نمونه نانوماده‌ي لايه برداري شده و غير لايه برداري شده حاصل مي شود. همچنين مشخص شد كه نانوكامپوزيت سيليكوني حاوي نانوصفحات لايه برداري/سيلاني شده نسبت به لاستيك سيليكوني خالص 5/6 برابر رسانايي حرارتي ، 6/1 برابر مقاومت حجمي ،26% افزايش استحكام كششي و15% افزايش زاويه تماس آب را نشان مي دهد. همچنين مدل‌هاي اوليه ي نانوماده و پليمر در محيط شبيه سازي ديناميك مولكولي ساخته شدند. در ابتدا اثر تغيير ساختار شيميايي بر رسانايي حرارتي نانوصفحات دوبعدي بررسي شد. هفت ساختار بر مبناي تغيير غلظت نيتروژن در يك حلقه ي هگزاگونالي از بوروفن تا نيتروفن خالص ساخته شدند كه ساختار مياني بورون نيتريد بود. بيشترين ميزان رسانايي حرارتي به نيتروفن كه پايداري ساختاري بسيار كمي دارد تعلق داشت. رسانايي حرارتي بورون نيتريد كمترين ميزان بود (2.3 W/m.k)كه دليل آن با توجه به كانتورمپ‌هاي موقعيت اتمها و بارهاي جزءي، پايداري سطحي مناسب و حركت گروهي اتم‌ها به جاي نوع ارتعاشي است.زيرا بين اتم ها پيوند مستحكمي است كه در حين تغيير موقعيت اتم ها آنها را كنار هم نگه مي دارد و از حركت تنهايي هر كدام جلوگيري مي كند.سپس نانوكامپوزيت بورون نيتريد/پلي دي متيل سيلوكسان( نوعي از لاستيك سيليكوني) در درصد وزني‌هاي مختلف ساخته شدند و رسانايي حرارتي آنها بررسي شد. با افزايش درصد وزني بورون نيتريد رسانايي حرارتي افزايش چنداني نمي‌يابد زيرا از 3% وزني به بعد كلوخه‌هاي بورون نيتريد شروع به تشكيل مي‌كند به طوري كه در نمونه‌ي 10% وزني ، رسانايي تقريبا عددي برابر با مقدار به دست آمده در نمونه ي 1% وزني را دارا است 60% بيشتر از مقدار به دست آمده براي پلي دي متيل سيلوكسان خالص است. با توجه به نتايج به دست آمده از هر دو ابزار آزمايشگاهي و شبيه سازي، جلوگيري از كلوخگي و بهبود فصل مشترك براي رسيدن به خواص حرارتي بالا، ضروري است

1403/07/30

Preparation and Silane Surface Modification of Boron Nitride Nanosheets and Its Effects on Silicone Rubber Thermal Properties: An Experimental and Molecular Dynamics Simulation Study.

6/23/2025 12:00:00 AM

Silicone rubber as an electrical insulator shows outstanding properties which makes it a great candidate to be replaced with glass or ceramic ones. But because electrical discharging happens in insulators high thermal energy inside the polymer is generated and low thermal conductivity of silicone rubber may cause structural degradation to happened sooner. Using ceramic nano fillers can enhance thermal conductivity and electrical resistivity at a same time. Boron nitride ( h-BNs) as a new two dimensional ceramic nano particle can be used to improve thermal properties of final product. It has the ability to become exfoliated layer-by-layer and then modified by lots of functional groups to make hysteric repulsion against agglomeration. In this reserch, we first used an easy and friendly method to exfoliate agglomerated h-BNs and examined its characteristics and its effect on thermal and electrical nano composite properties. Second, we separately focused on the silane surface modification with vinyl silane and reported the final properties. Third, to study both exfoliation and silane surface modification of h-BN, we did a thoroughly examination on all final properties of silicone rubber nanocomposites. It was confirmed that exfoliated and modified h-BN caused 6.5 times thermal conductivity, 60% electrical resistivity, 26% tensile strength and 15% hydrophobicity rise in comparison with SR. In molecular dynamics simulation we first focused on the surface of h-BN and the effects of surface structure on the thermal conductivity and its morphology. Then the h-BNs/nanocomposites with different weight percentages were built and the final thermal conductivities were reported. Thermal conductivity of the nanocomposite with 1wt% of h-BN showed 60% increase from that of PDMS. But agglomerations affected negatively on final properties. Generally, it can be said that h-BNs improved final properties of silicone rubber and both exfoliation and silane surface modification enhanced them more. In different parts of the current dissertation all the projects were explicitly discussed. We think that this research can help to go further in using 2D materials in electrical insulators.

لاستيك سيليكوني , بورون نيتريد شش وجهي , لايه برداري شيميايي , اصلاح سيلاني سطح , شبيه سازي ديناميك مولكولي , رسانايي حرارتي

silicone rubber , H-BN , Silane surface modification , exfoliation , MD simulation , Thermal conductivity

Atefe Farahani

Dr.Masoud Jamshidi