Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена
Изучено влияние добавки n-слойного графена на физические свойства (плотность, электропроводность, теплопроводность) образцов меди, спеченных при высоком давлении и температуре. Показано, что добавка графена Gn(4) к медному порошку в количестве 0,2–0,4 % (по массе) позволяет на 14–37 % увеличить знач...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2019 |
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159977 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, L. Jaworska, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко, Л.А. Романко, Э.Н. Луцак, А.А. Шульженко, Н.А. Русинова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 304-311. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159977 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Jaworska, L. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. Романко, Л.А. Луцак, Э.Н. Шульженко, А.А. Русинова, Н.А. 2019-10-19T17:28:31Z 2019-10-19T17:28:31Z 2019 Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, L. Jaworska, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко, Л.А. Романко, Э.Н. Луцак, А.А. Шульженко, Н.А. Русинова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 304-311. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 2223-3938 DOI: 10.33839/2223-3938-2019-22-1-304-311 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159977 66.045.34+621.763 Изучено влияние добавки n-слойного графена на физические свойства (плотность, электропроводность, теплопроводность) образцов меди, спеченных при высоком давлении и температуре. Показано, что добавка графена Gn(4) к медному порошку в количестве 0,2–0,4 % (по массе) позволяет на 14–37 % увеличить значение теплопроводности образцов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности исследований по легированию меди n-слойным графеном с целью получения конструкционных материалов с повышенной теплопроводностью. Досліджено вплив добавки n-шарового графена на фізичні властивості (густина, електропровідність, теплопровідність) зразків міді, спечених за високого тиску і температури. Показано, що добавка графена Gn (4) до мідного порошку в кількості 0,2–0,4% (за масою) дозволяє на 14–37% збільшити значення теплопровідності зразків. Отримані результати свідчать про перспективність досліджень з легування міді n-шаровим графеном з метою отримання конструкційних матеріалів з підвищеною теплопровідністю. The effect of the addition of n-layer graphene on the physical properties (density, electrical conductivity, thermal conductivity) of copper samples sintered at high pressure and temperature was studied. It was shown that the addition of graphene Gn (4) to copper powder in an amount of 0.2–0.4% (by weight) allows an increase in the value of thermal conductivity of samples by 14–37%. The results obtained indicate the promise of studies on copper doping with n-layer graphene in order to obtain structural materials with increased heat conduction. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена Properties of composite with copper matrix and addition of n-layer graphen Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| spellingShingle |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Jaworska, L. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. Романко, Л.А. Луцак, Э.Н. Шульженко, А.А. Русинова, Н.А. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title_short |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| title_full |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| title_fullStr |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| title_full_unstemmed |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| title_sort |
свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена |
| author |
Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Jaworska, L. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. Романко, Л.А. Луцак, Э.Н. Шульженко, А.А. Русинова, Н.А. |
| author_facet |
Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Jaworska, L. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. Романко, Л.А. Луцак, Э.Н. Шульженко, А.А. Русинова, Н.А. |
| topic |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Properties of composite with copper matrix and addition of n-layer graphen |
| description |
Изучено влияние добавки n-слойного графена на физические свойства (плотность, электропроводность, теплопроводность) образцов меди, спеченных при высоком давлении и температуре. Показано, что добавка графена Gn(4) к медному порошку в количестве 0,2–0,4 % (по массе) позволяет на 14–37 % увеличить значение теплопроводности образцов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности исследований по легированию меди n-слойным графеном с целью получения конструкционных материалов с повышенной теплопроводностью.
Досліджено вплив добавки n-шарового графена на фізичні властивості (густина, електропровідність, теплопровідність) зразків міді, спечених за високого тиску і температури. Показано, що добавка графена Gn (4) до мідного порошку в кількості 0,2–0,4% (за масою) дозволяє на 14–37% збільшити значення теплопровідності зразків. Отримані результати свідчать про перспективність досліджень з легування міді n-шаровим графеном з метою отримання конструкційних матеріалів з підвищеною теплопровідністю.
The effect of the addition of n-layer graphene on the physical properties (density, electrical conductivity, thermal conductivity) of copper samples sintered at high pressure and temperature was studied. It was shown that the addition of graphene Gn (4) to copper powder in an amount of 0.2–0.4% (by weight) allows an increase in the value of thermal conductivity of samples by 14–37%. The results obtained indicate the promise of studies on copper doping with n-layer graphene in order to obtain structural materials with increased heat conduction.
|
| issn |
2223-3938 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159977 |
| citation_txt |
Свойства композита с медной матрицей и добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, L. Jaworska, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко, Л.А. Романко, Э.Н. Луцак, А.А. Шульженко, Н.А. Русинова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2019. — Вип. 22. — С. 304-311. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šulʹženkoaa svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT sokolovan svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT jaworskal svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT garginvg svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT kuzʹmenkoef svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT romankola svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT lucakén svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT šulʹženkoaa svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT rusinovana svoistvakompozitasmednoimatriceiidobavkoinsloinogografena AT šulʹženkoaa propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT sokolovan propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT jaworskal propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT garginvg propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT kuzʹmenkoef propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT romankola propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT lucakén propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT šulʹženkoaa propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen AT rusinovana propertiesofcompositewithcoppermatrixandadditionofnlayergraphen |
| first_indexed |
2025-11-26T15:30:37Z |
| last_indexed |
2025-11-26T15:30:37Z |
| _version_ |
1850626594827141120 |
| fulltext |
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
304
УДК 66.045.34+621.763 DOI: 10.33839/2223-3938-2019-22-1-304-311
А. А. Шульженко, член-корр. НАН Украины; А. Н. Соколов, канд. техн. наук1;
L. Jaworska, dr hab. inż.2; В. Г. Гаргин, канд. техн. наук;
Е. Ф. Кузьменко, инж.; Л. А. Романко, канд. техн. наук;
Э. Н. Луцак, А. А. Шульженко, Н. А. Русинова, инженеры1
1Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, ул. Автозаводская 2,
04074 г. Киев, e-mail: kybor@ism.kiev.ua
2The Institute of Advanced Manufacturing Technology, 37a Wroclawska st, 30-011 Krakow,
Poland, e-mail: lucyna.jaworska@ios.krakow.pl
СВОЙСТВА КОМПОЗИТА С МЕДНОЙ МАТРИЦЕЙ И ДОБАВКОЙ
N-СЛОЙНОГО ГРАФЕНА
Изучено влияние добавки n-слойного графена на физические свойства (плотность,
электропроводность, теплопроводность) образцов меди, спеченных при высоком давлении и
температуре. Показано, что добавка графена Gn(4) к медному порошку в количестве 0,2–0,4
% (по массе) позволяет на 14–37 % увеличить значение теплопроводности образцов.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности исследований по легированию
меди n-слойным графеном с целью получения конструкционных материалов с повышенной
теплопроводностью. Полученные экспериментальные данные также будут важной
составляющей при разработке технологии получения с использованием техники высоких
давлений композитов алмаз–медь с добавкой n-слойного графена с высокой
теплопроводностью.
Ключевые слова: n-слойный графен, медь, давление, температура, теплопроводность
Электроника за последние два десятилетия стала одним из наиболее бурно
развивающихся секторов мировой экономики. При этом для поддержания темпов развития
актуальной задачей является создание более совершенных технологий охлаждения, чтобы
компенсировать увеличение плотности мощности, а также уменьшение веса и размеров
электронных устройств [1]. При разработке таких технологий традиционно использовали такие
материалы, как Cu–W, AlN, BeO и композиты на основе Al–SiC, имеющие удельную
теплопроводность на уровне 200 Вт/(мК). Природный алмаз, содержащий менее 100 ррм азота,
имеет теплопроводность 2000 Вт/(мК). Известны композиционные материалы на основе меди
и алмаза, имеющие теплопроводность до 900 Вт/(мК), которые были получены в условиях
высокого давления (8 ГПа) и температуры (1800 С) [2]. Применение высокого давления при
спекании алмазных композитов обеспечивает образование прочного алмазного каркаса.
Ранее было установлено, что использование меди и ее соединений, таких как оксиды
или малахит (Cu2(CO3)(OH)2), способствует превращению графита в алмаз [3], что было
позднее подтверждено в работе [4].
Известно, что использование растворителей углерода, таких как Co, Ni и др., при
спекании алмазных порошков в НРНТ условиях способствует образованию прочного
алмазного каркаса. Такую же роль выполняет и медь при спекании алмазного композита.
Следует отметить, что медь, благодаря высокой теплопроводности, является также
одним из наиболее популярных материалов, используемых для отвода тепла в электронных
устройствах, и широко используется при изготовлении радиаторов, распределителей тепла и
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
305
тепловых труб. Однако из-за того, что медь обладает большим удельным весом и большим
коэффициентом теплового расширения, ее использование становится проблематичным в
случае охлаждения кремния и других полупроводников. Поэтому прилагают активные усилия
по преодолению существующих ограничений ее применения в разрабатываемых
усовершенствованных системах охлаждения электронных устройств, обладающих высокой
удельной мощностью при миниатюрных размерах и весе.
Поэтому, когда стали коммерчески доступными низкоразмерные углеродные
материалы (углеродные нанотрубки, графены), обладающие уникальными теплофизическими
характеристиками, начались широкомасштабные научные исследования по их использованию
в качестве модификаторов медной матрицы [5–12].
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что при использовании
традиционных методов порошковой металлургии при получении композита металл–графен в
большинстве случаев конечный композит имел худшие физические свойства, чем исходный
металл [13]. Это обусловлено, во-первых, плохой связью между графеновыми чешуйками и
металлами, поскольку графен склонен отделяться от частиц металла из-за его плохого
сродства к металлу, а также отсутствию эффективного противодействия агломерации графена
в металлической матрице, и, во-вторых, относительно высокой температурой обработки
(более 1000 °C в случае меди), при которой графен легко разлагается или разрушается. Для
достижения наилучших физических свойств графеновые чешуйки должны быть однородно
диспергированы в металлической матрице без значительного термического повреждения или
превращения в карбиды металлов во время уплотнения и спекания, при этом при ориентации
графена в плоскости, параллельной направлению теплового потока, обеспечивается
максимальное значение теплопроводности, а случайная ориентация является благоприятной
для достижения более высокой изотропной теплопроводности композита [7]. Также было
установлено важное значение как линейных, так и латеральных размеров чешуек n-слойного
графена на формирование величины теплопроводности композита на основе меди.
Экспериментально и расчетными методами было показано, что с увеличением латеральных
размеров (числа слоев в n-слойном графене) растет теплопроводность композита, при этом
тепловое сопротивление границы раздела графен–медь не является ограничивающим
теплопроводность фактором [11, 12], но, с другой стороны, в случае уменьшения линейных
размеров чешуек возрастает как общее число контактов, так и число дефектов на границах
раздела графен–медь, что в конечном итоге повышает тепловое сопротивление этих границ и
снижает теплопроводность композита [7].
Поэтому успешные эксперименты по получению композитов металл–графен и, в
частности, медь–графен, были проведены с использованием различных методов осаждения
(CVD, PVD). Так, в частности, было экспериментально установлено, что при нанесении
графена на медные пленки в зависимости от условий осаждения и свойств графена
теплопроводность пленки увеличивается на 24–57 % [7–9].
Методом искрового плазменного спекания были получены объемные композиты на
основе меди с добавкой нанопластинок графита, теплопроводность которых была на 25%
выше, чем у меди [11].
Нами ранее было установлено [14], что воздействие высоких давлений и температур в
присутствии растворителя углерода на n-слойный графен, имеющий менее четырех слоев, не
приводит к фазовым превращениям в нем, а имеет место некоторое упорядочение исходно
разупорядоченных относительно друг друга наноразмерных слоев графена. Этот
экспериментальный факт указывает на перспективность использования техники высоких
давлений для получения композитов на основе меди с добавкой n-слойных графенов с однородно
диспергироваными и выравненными нанопластинками графена в металлической матрице.
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
306
Цель настоящей работы – исследование возможности повышения теплопроводности
массивных образцов меди за счет добавки n-слойных графенов при спекании в условиях
высоких давлений и температур.
Такие исследования актуальны, поскольку полученные результаты будут представлять
большой интерес при дальнейшей разработке технологии получения с использованием
техники высоких давлений композитов алмаз–медь с n-слойным графеном с высокой
теплопроводностью.
Исходные материалы и методики исследований
В экспериментах использовали порошок медный электролитический
стабилизированный марки ПМС-1 чистотой не менее 99,5% и насыпной плотностью 1,25–2,00
г/см3 [15], а также два образца n-слойного графена – порошок графена марки Gn(4) (фирма
«Cheap Tubes Inc.», США), частички которого состоят из нанопластинок, представляющих
собой стопку, в которой менее четырех слоев графена [16], и порошок графена марки N002-
PDR (фирма «Angstron Materials», Корея), представляющих собой стопку, в которой менее
трех слоев графена [17]. Удельный насыпной объем у порошка графена марки N002-PDR
значительно больше, чем у порошка марки Gn(4).
Шихту, состоящую из медного порошка с добавкой графена, а также только медного
порошка, размещали в ячейке высокого давления (см. рис. 1) и спекали при высоких давлениях
на прессовой установке ДО-043, развивающей усилие до 20 МН с использованием аппарата
высокого давления типа «тороид» конструкции ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины c
диаметром центрального углубления 30 мм при давлении 7 ГПа и температуре 1350 С в
течение 20 с. Эти технологические параметры обеспечивали плавление меди.
Рис. 1. Схема сборки ячейки высокого давления: 1 – графит; 2 – гексагональный нитрид
бора; 3 – медный порошок; 4 – экран из ниобия; 5 – смесь медного порошка и n-слойного графена
Полученные образцы представляли собой диски высотой 2 мм и диаметром 10 мм.
У полученных композитов на основе меди с добавкой n-слойных графенов и образца
меди без добавки графена были определены плотность и удельное электросопротивление.
Плотность образцов измеряли методом гидростатического взвешивания с
использованием весов PS210/C/1 фирмы «Radwag» (Польша), оснащенных приспособлением
для измерения плотности.
Измерения электрического сопротивления полученных образцов композитов на основе
меди с добавкой n-слойных графенов проводили согласно методике, описанной в [18]. В
процессе измерения образец зажимается непосредственно между измерительными
электродами, при этом измерялись объемные характеристики образца. Величина
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
307
сопротивления определялась на омическом участке вольтамперной характеристики и
рассчитывалась по формуле:
𝑅 = ρ
𝑙
𝑆
,
где R – сопротивление образца (Ом); – удельное электросопротивление (Омсм); l – длина
образца; S – площадь поперечного сечения образца (см2).
Значения теплопроводности образцов определяли с помощью измерителя
теплопроводности ИТ-02Ц, предназначенного для экспериментального определения удельной
теплопроводности материалов контактным методом. Схема измерительной ячейки датчика
показана на рис. 2.
Рис. 2. Элементы измерительной ячейки: 1 – образец; 2 – нагреватель; 3 – охладитель;
4 – термопары (Q – направление теплового потока, Iн – ток нагревателя)
При измерении теплопроводности исследуемый образец в виде пластинки (диска)
расположен горизонтально, нагреватель и охладитель касаются нижней, а две
дифференциально включенные термопары – верхней его поверхности, и измеряют градиент
температур ∆T. Тепловой поток распространяется горизонтально, и, если длина пластинки на
порядок больше толщины, то в первом приближении его можно считать равномерным. Если
толщина пластинки соизмерима с длиной, распределение теплового потока по объему образца
будет неравномерным. В этом случае тепловой поток и, соответственно, градиент на верхней
поверхности образца будет меньше, что приведет к погрешности измерений. В конструкции и
схеме прибора реализована возможность вводить поправки, учитывающие толщину образца.
Тестовые измерения теплопроводности образцов из алюминия диаметром 10 и
толщиной 1–3 мм показали, что при толщине образца до 2 мм полученные значения
теплопроводности совпадают со справочными данными. Тем не менее, учитывая
неравномерность теплового потока, возникающего в образцах с увеличением их толщины,
измерение теплопроводности проводили методом сравнения с эталонным образцом того же
размера из материала, теплопроводность которого известна. В наших экспериментах
использовали эталонный диск из химически чистой меди (99,9%), теплопроводность которой
согласно табличным данным составляла 400 Вт/(мК).
Результаты измерений
Как показали измерения, плотность полученных при высоком давлении и температуре
образцов композитов на основе меди с добавкой n-слойных графенов составила 8,82±0,02
г/см3, а образца без добавки n-слойных графенов – 8,77±0,02 г/см3. Некоторое увеличение
значения плотности в первом случае объясняется особенностями формирования при высоком
давлении композитов с добавкой n-слойных графенов [19], а именно, с участием графена
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
308
формируется более плотная и однородная структура материала вследствие уменьшения
трения и заклинивания между медными частицами в процессе холодного уплотнения медного
порошка при высоком давлении.
Удельное электросопротивление образцов композитов на основе меди с добавкой n-
слойных графенов составила 1,110-6 Омсм, а без добавки n-слойных графенов – 2,510-7
Омсм. При этом, как показали измерения, удельное электросопротивление эталона меди
имело значение 8,410-8 Омсм (согласно справочным данным, удельное
электросопротивление меди при комнатной температуре составляет 1,72510-8 Омсм [20]).
Результаты измерений теплопроводности образцов композитов на основе меди с
добавкой и без добавки n-слойных графенов приведены в таблице [21].
Теплопроводность образцов меди с добавкой графена
Марка графена Содержание n-
слойного графена, %
(по массе)
Теплопроводность, Вт/(мК)
– – 401*
– – 401±7**
Gn(4) 0,2 550±12
Gn(4) 0,4 457±11
Gn(4) 0,8 417±7
Gn(4) 2,0 402±9
N002-PDR 0,2 399±6
* – теплопроводность эталона меди [20]
** – теплопроводность образца из меди, полученного в НРНТ условиях
Как следует из приведенных данных, добавка графена Gn(4) к медному порошку в
количестве 0,2–0,4 % (по массе) позволяет на 14–37 % увеличить значение теплопроводности
образцов. При дальнейшем повышении доли графена Gn(4) эффект резко снижается и при 2,0
% (по массе) практически отсутствует. Добавка графена марки N002-PDR не оказывала
влияния на теплопроводность образца, что, по-видимому, связано с существенно меньшими
(на порядок) размерами пластинок графена в порошке, что коррелирует с выводом работы [7]
о влиянии линейных размеров чешуек n-слойных графенов на величину теплопроводности.
Экспериментально было также установлено, что если перед измерением
теплопроводности на торцы образцов нанести способом натирания слой порошка графена
Gn(4), то это способствует увеличению теплопроводности на 10––30 %, что коррелирует с
выводами, полученными в работе [10].
Таким образом, с использованием техники высоких давлений получен композит на
основе меди с добавкой n-слойных графенов, плотность которого составила 8,82±0,02 г/см3,
удельное электросопротивление – 1,110-6 Омсм, а теплопроводность в зависимости от
содержания n-слойного графена достигает 550±12 Вт/(мК).
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности исследований по
легированию меди n-слойным графеном, практическим результатом которых является
получение конструкционных материалов на основе меди с n-слойным графеном (в том числе
и без использования техники высоких давлений), имеющих повышенную теплопроводность
(например, проволока, электроконтакты с высокой теплопроводностью для силовой
электроники).
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
309
Повышение величины теплопроводности композита на основе меди с добавкой n-
слойного графена обеспечивается благодаря упорядочению исходно разупорядоченных
относительно друг друга наноразмерных слоев графена в композитной матрице в условиях
высокого давления и температуры, что проявляется на спектрах рентгеновской дифракции [14].
Полученные экспериментальные данные также будут важной составляющей при
разработке технологии получения с использованием техники высоких давлений композитов
алмаз–медь с добавкой n-слойного графена с высокой теплопроводностью.
Досліджено вплив добавки n-шарового графена на фізичні властивості (густина,
електропровідність, теплопровідність) зразків міді, спечених за високого тиску і температури.
Показано, що добавка графена Gn (4) до мідного порошку в кількості 0,2–0,4% (за масою) дозволяє на
14–37% збільшити значення теплопровідності зразків. Отримані результати свідчать про
перспективність досліджень з легування міді n-шаровим графеном з метою отримання
конструкційних матеріалів з підвищеною теплопровідністю. Отримані експериментальні дані також
будуть важливою складовою при розробці технології отримання з використанням техніки високих
тисків композитів алмаз–мідь з добавкою n-шарового графена з високою теплопровідністю.
Ключові слова: n-шаровий графен, мідь, тиск, температура, теплопровідність
A. A. Shulzhenko, A. N. Sokolov1, L. Jaworska2, V. G. Gargin, E. F. Kuzmenko, L. A. Romanko,
E. N. Luzak, A. A. Shulzhenko, N. A. Rusinova1
1V. N. Bakul Institute for Superhard Materials, National Academy of Sciences of Ukraine
2The Institute of Advanced Manufacturing Technology
PROPERTIES OF COMPOSITE WITH COPPER MATRIX AND ADDITION
OF N-LAYER GRAPHEN
The effect of the addition of n-layer graphene on the physical properties (density, electrical
conductivity, thermal conductivity) of copper samples sintered at high pressure and temperature was studied.
It was shown that the addition of graphene Gn (4) to copper powder in an amount of 0.2–0.4% (by weight)
allows an increase in the value of thermal conductivity of samples by 14–37%. The results obtained indicate
the promise of studies on copper doping with n-layer graphene in order to obtain structural materials with
increased heat conduction. The obtained experimental data will also be an important component in the
development of production technology using high pressure techniques of diamond–copper composites with the
addition of n-layer graphene with high thermal conductivity.
Key words: n-layer graphene, copper, pressure, temperature, thermal conductivity
Литература
1. Lasance C. J. M. Advances in high-performance cooling for electronics // Electron. Cooling
Mag. – 2005. – N 11. – P. 6–16.
2. Влияние микроструктуры и размера зерна на теплопроводность алмазных
композитов, полученных при высоких давлениях / Е. А. Екимов, Н. В. Суетин, А. Ф.
Попович и др. // Неорганические материалы. – 2008. – 44. – № 3. – С. 275–283.
3. Patent 1300316 GB. МКИ C01B 31/06. Synthetic diamond production / A. A. Shulzhenko,
A. F. Getman. – Publ. 24/04.1970.
4. Kanda H., Akaishi M., Yamaoka S. New catalysts for diamond growth under high pressure
and high temperature // Appl. Phys. Lett. – 1994. – 65. N 8. – P. 784–786; doi:
10.1063/1.112230.
5. Electrical and mechanical properties of carbon nanotube reinforced copper nanocomposites
fabricated by electroless deposition process / W. M. Daoush, B. K. Lim, C. B. Mo et al. //
Mater. Sci. Eng. A. – 2009. – 513. – P. 247–253.
6. Enhanced mechanical properties of graphene/copper nanocomposites using a molecular-
level mixing process / J. Hwang, T. Yoon, S. H. Jin et al. // Adv. Mater. – 2013. – 25. – P.
6724–6729.
Выпуск 22. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
http:/altis-ism.org.ua
310
7. Largely enhanced thermal conductivity of graphene/copper composites with highly aligned
graphene network / K. Chu, X. Wang, F. Wang et al. // Carbon. –2018. – 127. – P. 102–
112; doi: 10.1016/j.carbon.2017.10.099.
8. Jagannadham K. Thermal Conductivity of Copper-Graphene Composite Films Synthesized by
Electrochemical Deposition with Exfoliated Graphene Platelets // Metallurgical and materials
transactions. – 2012. – 43B. – N 4. – P. 316–324; doi: 10.1007/s11663-011-9597-z.
9. Simoncini A., Tagliaferri V., Ucciardello N. High Thermal Conductivity of Copper Matrix
Composite Coatings with Highly-Aligned Graphite Nanoplatelets // Materials 2017, 10,
1226; doi:10.3390/ma10111226.
10. Thermal Properties of Graphene−Copper−Graphene Heterogeneous Films / Goli P., Ning
H., Li X. et al. // Nano Letters. – 2014. – 14. – N 3. – P. 1497−1503; doi:
10.1021/nl404719n.
11. Firkowska I., Boden A., Boerner B., Reich S. The Origin of High Thermal Conductivity
and Ultralow Thermal Expansion in Copper−Graphite Composites // Nano Letters. – 2015.
–15. – N 7. – P. 4745-4751; doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01664.
12. Nanoplatelet Size to Control the Alignment and Thermal Conductivity in Copper−Graphite
Composites / A. Boden, B. Boerner, P. Kusch, et al. // Nano Letters. – 2014. – 14. – P.
3640−36443641; doi: 10.1021/nl501411g.
13. Graphene–aluminum nanocomposites / S. F. Bartolucci, J. Parasa, M. A. Rafiee et al. //
Materials Science and Engineering. – 2011. – A528. – N 27. – P. 7933–7937.
14. Phase transformations of n-layer graphenes into diamond at high pressures and temperatures
/ A. A. Shul’zhenko, L. Jaworska, A. N. Sokolov, V. G. Gargin, N. N. Belyavina // Journal
of Superhard Materials. – 2017. – 39. – N 2. – P. 75–82.
15. ГОСТ 4960–2009. Порошок медный электролитический. Технические условия. – М.:
Стандартинформ, 2009. – 14 с.
16. Graphene Nanoplatelets [Electronic resource] – www.cheaptubes.com/ product-
category/graphene-nanoplatelets/.
17. N002-PDR Few Layer Graphene Powder [Electronic resource] –
https://www.angstronmaterials.com/shop/n002-graphene-powder/.
18. Electrically conductive polycrystalline superhard material based on diamond and n-layer
graphene’s / A. A. Shul’zhenko, L. Jaworska, A. N. Sokolov et al. // Chemistry and chem.
technol. – 2016. – V. 59. – N 8. – P. 69–74.
19. Novel Wear-Resistant Superhard Diamond Composite Polycrystalline Material / A. A.
Shul’zhenko, L. Jaworska, A. N. Sokolov, et al. // Journal of Superhard Materials. – 2018.
– 40. – N 1. – P. 1–7.
20. Свойства меди: плотность, теплоемкость, теплопроводность [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/svojstva-medi-
plotnost-teploemkost-teploprovodnost.
21. Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена / А. А. Шульженко, А. Н.
Соколов, Л. Яворска и др. // Сверхтвердые материалы. – 2019. – № 4. – С. 90–93.
Поступила 05.06.19
References
1. Lasance, C. J. M. (2005). Advances in high-performance cooling for electronics. Electron.
Cooling Mag., 11, 6–16.
2. Ekimov, E. A., Suetin, N. V., Popovich, A. F., et al. (2008). Vliianie mikrostruktury i
razmera zerna na teploprovodnost almaznykh kompozitov, poluchennykh pri vysokikh
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
311
davleniiakh [The effect of the microstructure and grain size on the thermal conductivity of
diamond composites obtained at high pressures]. Neorganicheskie materialy. – Inorganic
Materials. 44, 3, 275–283 [in Russian].
3. Shulzhenko, A. A. & Getman, A. F. (1970). Patent of GB 1300316.
4. Kanda, H., Akaishi, M. & Yamaoka, S. (1994). New catalysts for diamond growth under
high pressure and high temperature. Appl. Phys. Lett., 65, 8, 784–786.
5. Daoush, W. M., Lim, B. K., Mo C. B., et al. (2009). Electrical and mechanical properties of
carbon nanotube reinforced copper nanocomposites fabricated by electroless deposition
process. Mater. Sci. Eng. A., 513, 247–253.
6. Hwang, J., Yoon, T., Jin S. H., et al. (2013). Enhanced mechanical properties of
graphene/copper nanocomposites using a molecular-level mixing process. Adv. Mater., 25,
6724–6729.
7. Chu, K., Wang, X., Wang F., et al. (2018). Largely enhanced thermal conductivity of
graphene/copper composites with highly aligned graphene network. Carbon, 127, 102–112.
8. Jagannadham, K. (2012). Thermal Conductivity of Copper-Graphene Composite Films
Synthesized by Electrochemical Deposition with Exfoliated Graphene Platelets.
Metallurgical and materials transactions. 43B, 4, 316–324.
9. Simoncini, A., Tagliaferri, V. & Ucciardello N. (2017). High Thermal Conductivity of Copper
Matrix Composite Coatings with Highly-Aligned Graphite Nanoplatelets. Materials, 10, 1226.
10. Goli, P., Ning, H., Li, X. et al. (2014). Thermal Properties of Graphene−Copper−Graphene
Heterogeneous Films. Nano Letters. 14, 3, 1497−1503.
11. Firkowska, I., Boden, A., Boerner, B. & Reich S. (2015). The Origin of High Thermal
Conductivity and Ultralow Thermal Expansion in Copper−Graphite Composites. Nano
Letters. 15, 7, 4745-4751.
12. Boden, A., Boerner, B., Kusch, P. et al. (2014). Nanoplatelet Size to Control the Alignment
and Thermal Conductivity in Copper−Graphite Composites. Nano Letters, 14, 3640−3644.
13. Bartolucci, S. F., Parasa, J., Rafiee M. A., et al. (2011). Graphene–aluminum
nanocomposites. Materials Science and Engineering. A528, 27, 7933–7937.
14. . Shul’zhenko, A. A., Jaworska, L., Sokolov, A. N., et al. (2017). Phase transformations of
n-layer graphenes into diamond at high pressures and temperatures. Journal of Superhard
Materials. 39. 2, 75–82.
15. Poroshok mednyi elektroliticheskii [Copper electrolytic powder. Technical conditions].
(2009). GOST 4960–2009. Moscow: Standartinform [in Russian].
16. Graphene Nanoplatelets. (n. d.). cheaptubes.com. Retrieved from www.cheaptubes.com/
product-category/graphene-nanoplatelets/.
17. N002-PDR Few Layer Graphene Powder (n. d.). angstronmaterials.com. Retrieved from
https://www.angstronmaterials.com/shop/n002-graphene-powder/.
18. Shul’zhenko, A. A., Jaworska, L., Sokolov, A. N., et al. (2016). Electrically conductive
polycrystalline superhard material based on diamond and n-layer graphene’s. Chemistry
and chem. technol. 59, 8, 69–74.
19. Shul’zhenko, A. A., Jaworska, L., Sokolov, A. N., et al. (2018). Novel Wear-Resistant
Superhard Diamond Composite Polycrystalline Material. Journal of Superhard Materials– 40,
1, 1–7.
20. Svoistva medi: plotnost, teploemkost, teploprovodnost [Copper properties: density, heat
capacity, thermal conductivity]. (n. d.). thermalinfo.ru. Retrieved from
http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/svojstva-medi-plotnost-
teploemkost-teploprovodnost [in Russian].
21. Shul’zhenko, A. A., Sokolov, A. N., Jaworska, L., et al. (2019). Teploprovodnost medi s
dobavkoi n-sloinogo grafena [Thermal conductivity of copper with the addition of n-layer
graphene]. Sverkhtverdye materialy – Superhard Materials. 4, 90–93 [in Russian].
|