用于太陽能集熱器的具有增強(qiáng)熱性能和機(jī)械性能的石墨烯結(jié)合鋁

【引言】

金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和熱性能而具有廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景。快速出現(xiàn)的實際應(yīng)用，如微電子器件、熱電伙伴、高性能機(jī)械結(jié)構(gòu)等，只有借助于這些金屬基復(fù)合材料才能實現(xiàn)商業(yè)上的可行性。對于這些金屬基復(fù)合材料，為了提供特定的期望輸出，仔細(xì)觀察和調(diào)整幾個關(guān)鍵參數(shù)是需要的。重量百分比、體積分?jǐn)?shù)、尺寸、形狀和方向等因素對最終復(fù)合樣品的性質(zhì)有顯著影響。另一個重要因素是彌散相和金屬基體之間的界面形成，這可以給最終復(fù)合結(jié)構(gòu)帶來有趣的特性，對物理和化學(xué)性能產(chǎn)生修改或增強(qiáng)。在所有可能的金屬基復(fù)合材料中，鋁基復(fù)合材料(AMCs)在航空航天、汽車、電子電氣設(shè)備和大量建筑材料等社會應(yīng)用方面引起了興趣。

【成果介紹】

通過粉末冶金方法合成用于商業(yè)上可行的太陽能集熱器的鋁-石墨烯（Al-Gr）復(fù)合材料是一種簡單而創(chuàng)新的方法。室溫下，Al–Gr復(fù)合材料（石墨烯填料含量為1 wt.%）的導(dǎo)熱系數(shù)約為∼280 W/mK，高于原始鋁(∼124 W/mK）。利用L75HX（Linseis, Germany）膨脹計測量了所有樣品的熱膨脹系數(shù)（CTE），以研究熱長度變化。結(jié)果表明，制備的復(fù)合材料具有較低的熱膨脹系數(shù)。借助于X射線衍射技術(shù)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜、拉曼光譜等對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了詳細(xì)的研究。此外，密度測量結(jié)果表明，即使在燒結(jié)處理后，復(fù)合材料的密度仍為原始鋁密度的97.5%。X射線顯微計算機(jī)斷層掃描顯示了樣品的結(jié)構(gòu)完整性和非多孔性，沒有任何缺陷和變形。結(jié)果表明，Al–Gr復(fù)合材料在630℃下的熱熔合滿足強(qiáng)度要求，可以用作太陽能集熱器和散熱材料。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：利用高能球磨機(jī)，在真空燒結(jié)的幫助下制備鋁-石墨烯復(fù)合材料的工藝和發(fā)展示意圖。

圖2：（a）鋁粉和（b）AlGr_1樣品的FESEM圖像。（c）純鋁和（d）AlGr_1復(fù)合材料的能量色散X射線光譜。元素映射數(shù)據(jù)顯示（e）碳和（f）鋁的存在及其在復(fù)合材料中的分布模式。

圖3：（a） 使用粉末冶金技術(shù)合成的鋁-石墨烯（Al-Gr）復(fù)合材料的XRD圖譜和（b）對Al-Gr復(fù)合材料中石墨烯含量的拉曼分析。

圖4：（a） 不同溫度下Al–Gr復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）結(jié)果。（b） CTE結(jié)果與不同溫度下鋁基體中石墨烯的重量百分比（從0%到1%）的關(guān)系。（c） 鋁-石墨烯復(fù)合球團(tuán)在不同溫度下的長度變化(?L)（石墨烯在鋁基體中的wt %從0%到1%）（d） 鋁-石墨烯復(fù)合材料在不同溫度下的相對膨脹率（%）。

圖5：（a） 不同溫度（從室溫到300℃）下鋁-石墨烯復(fù)合顆粒的熱導(dǎo)率。(鋁基體中石墨烯的含量為0%至1%)（b） 室溫下的熱導(dǎo)率結(jié)果描述了熱導(dǎo)率與石墨烯重量百分比之間的非線性關(guān)系。

圖6：兩相復(fù)合（a）串聯(lián)模型、（b）并聯(lián)模型、（c）麥克斯韋模型和[（d）和（e）] Lewis–Nielsen模型的各種模型示意圖。

圖7：通過各種模型估算的鋁-石墨烯復(fù)合材料相對于石墨烯重量分?jǐn)?shù)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

圖8：通過Lewis–Nielsen模型計算復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)：（a）球形和（b）棒狀或纖維狀石墨烯顆粒。在較高濃度下，假定石墨烯顆粒為纖維狀，A=2.08，并隨機(jī)分布在鋁基體中。

【結(jié)論】

在這項工作中，采用粉末冶金方法合成了鋁-石墨烯復(fù)合材料，并在進(jìn)行形態(tài)和成分分析之前進(jìn)行了真空燒結(jié)。復(fù)合材料呈現(xiàn)均勻分布的球形顆粒，單個顆粒尺寸在10–20nm之間。分布結(jié)果顯示了鋁和石墨烯組分的均勻性。元素組成分析證實了整個掃描區(qū)域中鋁和碳含量的均勻分布。Al–Gr復(fù)合材料的熱性能和機(jī)械性能表明，該材料具有良好的熱導(dǎo)率，可作為高效太陽能集熱器。目前，純銅和/或鋁被廣泛用于制造太陽能集熱器。Al和Cu在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)分別為~ 237 W/mK和~ 401W/mK。在我們的例子中，我們得到了鋁-石墨烯復(fù)合材料（將5 wt.%的石墨烯加入到鋁塊體中）的導(dǎo)熱系數(shù)為410 W/mK，超過了鋁和銅的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，我們還觀察到，在不同溫度下，鋁-石墨烯復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）低于原始燒結(jié)鋁，這表明鋁-石墨烯復(fù)合材料比未燒結(jié)鋁具有更高的熱應(yīng)力耐受性。