Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена
Изучено влияние добавки n-слойного графена на теплопроводность образцов меди, спеченных при высоких давлениях 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. Вивчено вплив добавк...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2019 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167323 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, Л. Яворска, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко// Надтверді матеріали. — 2019. — № 4 (240). — С. 90-93. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860196209281466368 |
|---|---|
| author | Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Яворска, Л. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. |
| author_facet | Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Яворска, Л. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. |
| citation_txt | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, Л. Яворска, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко// Надтверді матеріали. — 2019. — № 4 (240). — С. 90-93. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Изучено влияние добавки n-слойного графена на теплопроводность образцов меди, спеченных при высоких давлениях 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.
Вивчено вплив добавки n-шарового графена на теплопровідність зразків міді, спечених за високих 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.
The effect of the addition of n-layer graphene on the 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%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:09:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
http://stmj.org.ua 90
УДК 66.045.34+621.763
А. А. Шульженко1, *, А. Н. Соколов1, **, Л. Яворска2, ***,
В. Г. Гаргин1, Е. Ф. Кузьменко1
1Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля
НАН Украины
2The Institute of Advanced Manufacturing Technology,
Krakow, Poland
*alexshulzhenko35@gmail.com
**kybor@ism.kiev.ua
***lucyna.jaworska@ios.krakow.pl
Теплопроводность меди с добавкой
n-слойного графена
Изучено влияние добавки n-слойного графена на теплопровод-
ность образцов меди, спеченных при высоких давлениях и температуре. Показа-
но, что добавка графена Gn(4) к медному порошку в количестве 0,2–0,4 % (по
массе) позволяет на 14–37 % увеличить значение теплопроводности образцов.
Ключевые слова: n-слойный графен, медь, давление, темпера-
тура, 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 уст-
ройств [1]. При разработке данных технологий традиционно использовали
такие материалы, как Cu–W, AlN, BeO и композиты на основе Al–SiC,
имеющие удельную теплопроводность на уровне 200 Вт/(м⋅К). Природный
алмаз, содержащий менее 100 ррм азота, имеет теплопроводность
2000 Вт/(м⋅К). Известны композиционные материалы на основе меди и алма-
за, имеющие теплопроводность до 900 Вт/(м⋅К), которые были получены в
условиях высоких давлений (8 ГПа) и температуры (1800 °С) [2]. Применение
высокого давления при спекании алмазных композитов обеспечивает образо-
вание прочного алмазного каркаса.
Ранее было установлено, что использование меди и ее соединений, таких
как оксиды или малахит (Cu2(CO3)(OH)2), способствует превращению графи-
та в алмаз [3], что было позднее подтверждено в [4].
Известно, что использование растворителей углерода (Co, Ni и др.) при
спекании алмазных порошков в НРНТ-условиях способствует образованию
прочного алмазного каркаса. Такую же функцию выполняет и медь при спе-
кании алмазного композита.
Одним из наиболее популярных материалов, используемых для отвода те-
пла во многих электронных устройствах, является медь. Ее применение обу-
словлено, прежде всего, хорошими физическими свойствами (теплопровод-
ностью, электропроводностью), доступностью, что позволяет изготавливать
© А. А. ШУЛЬЖЕНКО, А. Н. СОКОЛОВ, Л. ЯВОРСКА, В. Г. ГАРГИН, Е. Ф. КУЗЬМЕНКО, 2019
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 4 91
теплоотводящие элементы с достаточно низкой себестоимостью. Но при этом
актуальной остается задача повышения теплопроводности этих элементов.
Поэтому, когда стали коммерчески доступными низкоразмерные углерод-
ные материалы (углеродные нанотрубки, графены), обладающие уникальны-
ми теплофизическими характеристиками, начались широкомасштабные на-
учные исследования по их использованию в качестве модификаторов медной
матрицы [5, 6]. Так, в частности, было экспериментально установлено, что
при нанесении графена на медные пленки в зависимости от условий осажде-
ния и свойств графена теплопроводность пленки увеличивается на 24–57 %
[7–9].
Цель настоящей работы – исследование возможности повышения тепло-
проводности меди за счет добавки n-слойных графенов при спекании в усло-
виях высоких давлений и температур.
Такие исследования актуальны, поскольку полученные результаты будут
представлять большой интерес при дальнейшей разработке технологии полу-
чения с использованием техники высоких давлений композитов алмаз–медь с
n-слойным графеном с высокой теплопроводностью.
В качестве исходных материалов использовали порошок медный электро-
литический стабилизированный марки ПМС-1 чистотой не менее 99,5 %, а
также два образца n-слойного графена – порошок графена марки Gn(4) (фир-
мы “Cheap Tubes Inc.”, США), частички которого состоят из нанопластинок,
представляющих собой стопку, в которой менее четырех слоев графена, и
порошок графена марки N002-PDR (фирмы “Angstron Materials”, Корея),
представляющих собой стопку, в которой менее трех слоев графена. Удель-
ный насыпной объем у порошка графена марки N002-PDR был значительно
больше, чем у порошка марки Gn(4).
Шихту, состоящую из медного порошка с добавкой графена, а также толь-
ко медного порошка, размещали в ячейке высокого давления (см. рисунок) и
спекали при высоких давлениях на прессовой установке ДО-043, развиваю-
щей усилие до 20 МН с использованием аппарата высокого давления типа
“тороид” конструкции Института сверхтвердых материалов 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.
1
2
3
4
5
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.
http://stmj.org.ua 92
Полученные образцы представляли собой диски высотой 2 мм и диамет-
ром 10 мм.
Определение теплопроводности образцов проводили с использованием
измерителя теплопроводности ИТ-02Ц, предназначенного для эксперимен-
тального определения удельной теплопроводности материалов контактным
методом.
При измерении теплопроводности использовали эталонный диск из хими-
чески чистой меди (99,9 %), теплопроводность которого согласно табличным
данным составляла 400 Вт/(м⋅К).
Результаты измерений приведены в таблице.
Теплопроводность образцов меди с добавкой графена
Марка графена
Содержание n-слойного
графена, % (по массе)
Теплопроводность,
Вт/(м⋅К)
– – 400*
– – 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.
**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 теп-
лопроводность образца, что, по-видимому, связано с существенно меньшими
(на порядок) размерами пластинок графена в порошке.
Экспериментально было также установлено, что если перед измерением
теплопроводности на торцы образцов нанести способом натирания слой по-
рошка графена Gn(4), то это способствует увеличению теплопроводности на
10––30 %, что коррелирует с выводами, полученными в [9].
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективах
исследований по легированию меди n-слойным графеном, практическим ре-
зультатом которых является получение конструкционных материалов на ос-
нове 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).
Полученные экспериментальные данные также будут важной составляю-
щей при разработке технологии получения (с использованием техники высо-
ких давлений) композитов алмаз–медь с добавкой n-слойного графена с вы-
сокой теплопроводностью.
Вивчено вплив добавки n-шарового графена на теплопровідність зразків
міді, спечених за високих тиску і температури. Показано, що добавка графена Gn (4) до
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 4 93
мідного порошку в кількості 0,2–0,4 % (за масою) дозволяє на 14–37 % збільшити значен-
ня теплопровідності зразків.
Ключові слова: n-шаровий графен, мідь, тиск, температура,
теплопровідність.
The effect of the addition of n-layer graphene on the 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%.
Keywords: n-layer graphene, copper, pressure, temperature, thermal
conductivity.
1. Lasance C.J.M. Advances in high-performance cooling for electronics. Electron. Cooling
Mag. 2005. N 11. P. 6–16.
2. Екимов Е.А., Суетин Н.В., Попович А.Ф., Ральченко В.Г., Громницкая Е.Л., Моденов
В.П. Влияние микроструктуры и размера зерна на теплопроводность алмазных
композитов, полученных при высоких давлениях. Неорганические материалы. 2008.
Т. 44, № 3. С. 275–283.
3. Shulzhenko A.A., Getman A.F. Synthetic diamond production. Pat. 1300316 GB. IC C01B
31/06. 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. Vol. 65. N 8. P. 784–786.
5. Daoush W.M., Lim B.K., Mo C.B., Nam D.H., Hong S.H. Electrical and mechanical proper-
ties of carbon nanotube reinforced copper nanocomposites fabricated by electroless deposition
process. Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 513–514. P. 247–253.
6. Hwang J., Yoon T., Jin S.H., Yoon T., Jin H.S., Lee J., Kim T.-S., Hong S.H., Jeon S. En-
hanced mechanical properties of graphene/copper nanocomposites using a molecular-level
mixing process. Adv. Mater. 2013. Vol. 25. P. 6724–6729.
7. Jagannadham K. Thermal conductivity of copper-graphene composite films synthesized by
electrochemical deposition with exfoliated graphene platelets. Metall. Mater. Transact. B.
2012. Vol. 43, N 4. P. 316–324.
8. Simoncini A., Tagliaferri V., Ucciardello N. High Thermal Conductivity of Copper Matrix
Composite Coatings with Highly-Aligned Graphite Nanoplatelets. Materials. 2017. Vol. 10,
art. 1226.
9. Goli P., Ning H., Li X., Lu C. Y., Novoselov K. S., Balandin A. A. Thermal properties of
graphene−copper−graphene heterogeneous films. Nano Letters. 2014. Vol. 14, N 3.
P. 1497−1503.
Поступила в редакцию 23.05.19
После доработки 23.05.19
Принята к публикации 23.05.19
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167323 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:09:03Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Яворска, Л. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. 2020-03-25T10:13:37Z 2020-03-25T10:13:37Z 2019 Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена / А.А. Шульженко, А.Н. Соколов, Л. Яворска, В.Г. Гаргин, Е.Ф. Кузьменко// Надтверді матеріали. — 2019. — № 4 (240). — С. 90-93. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167323 66.045.34+621.763 Изучено влияние добавки n-слойного графена на теплопроводность образцов меди, спеченных при высоких давлениях 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. Вивчено вплив добавки n-шарового графена на теплопровідність зразків міді, спечених за високих 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. The effect of the addition of n-layer graphene on the 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%. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Листи до редакції Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена Thermal Conductivity of Copper with the Addition of n- Layer Graphene Article published earlier |
| spellingShingle | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена Шульженко, А.А. Соколов, А.Н. Яворска, Л. Гаргин, В.Г. Кузьменко, Е.Ф. Листи до редакції |
| title | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| title_alt | Thermal Conductivity of Copper with the Addition of n- Layer Graphene |
| title_full | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| title_fullStr | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| title_full_unstemmed | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| title_short | Теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| title_sort | теплопроводность меди с добавкой n-слойного графена |
| topic | Листи до редакції |
| topic_facet | Листи до редакції |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167323 |
| work_keys_str_mv | AT šulʹženkoaa teploprovodnostʹmedisdobavkoinsloinogografena AT sokolovan teploprovodnostʹmedisdobavkoinsloinogografena AT âvorskal teploprovodnostʹmedisdobavkoinsloinogografena AT garginvg teploprovodnostʹmedisdobavkoinsloinogografena AT kuzʹmenkoef teploprovodnostʹmedisdobavkoinsloinogografena AT šulʹženkoaa thermalconductivityofcopperwiththeadditionofnlayergraphene AT sokolovan thermalconductivityofcopperwiththeadditionofnlayergraphene AT âvorskal thermalconductivityofcopperwiththeadditionofnlayergraphene AT garginvg thermalconductivityofcopperwiththeadditionofnlayergraphene AT kuzʹmenkoef thermalconductivityofcopperwiththeadditionofnlayergraphene |