Новости

9 июня, 2023 11:31

Найден способ управлять прочностью и теплопроводностью материалов на основе графена и металлов

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. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.
Источник: РИА Новости / Виталий Тимкив
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.

Схема формирования композита с изображением структуры его элементов на разных этапах. Источник: Murzaev et al. / Materials, 2023


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. 
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
29 марта, 2024
Российские ученые обучили ИИ подбирать эффективную защиту для глаз от лазерного излучения
Российские ученые разработали нейросеть для быстрой оценки способности материалов блокировать опас...
28 марта, 2024
В ИТМО создали более долговечные синие перовскитные светодиоды
Ученые ИТМО нашли новый способ получения синего излучения у перовскитных нанокристаллов. Он позвол...