8 June 2023, 20:00

Физики настроили прочность и теплопроводность графен-никелевого композита

Физики определили, что свойствами материалов, состоящих из графеновой сетки и наночастиц никеля, можно управлять, лишь изменяя соотношение этих компонентов. Авторы получили композиты, которые были прочнее обычного металла и при этом лучше проводили тепло, чем чистый скомканный графен. Сочетание этих свойств позволит использовать композиты на основе графена и никеля, а также других металлов в устройствах гибкой электроники и литий-ионных аккумуляторах нового поколения.

Физики настроили прочность и теплопроводность графен-никелевого композита
Схема формирования композита с изображением структуры его элементов на разных этапах

В современной электронике, машино- и приборостроении все чаще используются композитные материалы, в состав которых входит несколько компонентов, различающихся по химическим и физическим характеристикам. Такие сочетания придают материалам новые полезные свойства, которых не имеют их составляющие по отдельности. Так, например, композиты на основе металлов и графена благодаря молекулярной структуре последнего оказываются до 30% прочнее и устойчивее к коррозии, чем чистые металлы. Помимо высокой прочности, графен устойчив к нагреванию, благодаря чему композиты, содержащие графен, можно использовать при создании химических сенсоров и аккумуляторов, устойчивых к перепадам температур.

Ранее ученые из Института проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа) разработали композиционный материал, состоящий из графеновой сетки и наночастиц никеля, равномерно заполняющих ее ячейки. Авторы экспериментально показали, что полученный композит был до двух раз прочнее, чем исходный металл, благодаря чему выдерживал большие нагрузки.

В новой работе исследователи оценили тепловые свойства композитов на основе графена и никеля, а именно — их способность проводить тепло и сохранять структуру при нагревании. Авторы исследовали образцы, полученные при температуре 700°С и высоком давлении на основе графеновых чешуек, которые, объединяясь, создали сетку, заполненную наночастицами никеля в разных количествах: 8%, 16% и 24% от общего количества атомов в композите.

Чтобы оценить способность полученных материалов проводить тепло, ученые измерили, как меняется температура образцов, когда их нагревают с одного конца и охлаждают с другого. Из-за «охладителя» и «нагревателя» по всей длине композитов возникал температурный градиент, по значению которого рассчитывалась теплопроводность.

Эксперимент показал, что образцы с максимальным содержанием никеля (24%) имели самую лучшую теплопроводность, поскольку чистый графен, в отличие от металла, из-за особенностей связей между атомами углерода не так хорошо проводит тепло. Этот недостаток удалось компенсировать добавлением большого числа наночастиц никеля. Однако авторы выяснили, что данный образец был наименее термостойким: при нагревании до 1500°С его структура нарушалась, что выражалось в удлинении образца.

Это соответствует наблюдению, которое ученые сделали в своей предыдущей работе: композиты с высокой долей металла уступают в прочности тем, в которых его содержание невелико. Зная эти особенности, можно создавать композиты с нужными свойствами (максимальной теплопроводностью, прочностью или оптимальным их сочетанием), изменяя количественное соотношение атомов металла и углерода в структуре.

«Композиты с управляемыми тепловыми и прочностными свойствами перспективны в различных отраслях промышленности, например в качестве защитных покрытий для других материалов и для новой гибкой электроники и литий-ионных аккумуляторов. В будущем мы планируем создать опытные образцы деталей из металл-графеновых композитов, чтобы экспериментально проверить возможность их использования в электронике», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Баимова, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующая молодежной лабораторией «Физика и механика углеродных наноматериалов» ИПСМ РАН.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Материаловеды разработали новую экологичную упаковку для продуктов
Она изготовлена на основе растительных полимеров, защищает пищу от ультрафиолетового излучения, бактерий и влаги, при этом позволяя «дышать», а еще полностью биоразлагаема
"Green" technologies
Composites
Food industry
Materials Science
6 July 2023
Новый подход помог получить сорбент на основе оксида графена для очистки воды
Обжиг оксида графена в кислородно-пропановой газовой смеси привел к образованию большого количества нанопор, за счет чего площадь поверхности материала оказалась почти в 30 раз больше изначальной
Carbon materials
Materials Science
New techniques
28 June 2023
Производство германиевых анодов для батарей станет проще и дешевле
Помочь в этом способен новый экологичный способ синтеза композиционных материалов из высокорастворимого оксида неметалла
Composites
Electrochemistry
Materials Science
New techniques
21 June 2023
Травление веселящим газом упростило получение полупроводниковых нанотрубок
Такие структуры представляют интерес для электроники, но получить их достаточно трудно. Новый подход позволил сделать это всего в одну стадию с эффективностью в 97%
Carbon materials
Materials Science
Nanoelectronics
New techniques
1 June 2023
Создан новый композит из оксида индия, нанотрубок и меди для газовых сенсоров
Он оказался чувствителен к широкому классу летучих соединений и особенно к оксиду азота
Composites
Materials Science
Nanotechnology
Sensors
24 May 2023
«Растянутые гармошки» помогут увеличить емкость энергонакопителей
Внедрение в гармошкообразные наночастицы молекул растворителя обеспечило более равномерное распределение проводящего наполнителя в композите. В результате тот сможет не только накапливать больше энергии, но и станет чувствительнее к внешнему электрическому полю
Composites
Electronics
Materials Science
Nanotechnology
22 May 2023