Termofizyczne właściwości kompozytów Cu-C otrzymanych metodą metalurgii proszków

• Autorzy: Homa M. , Gazda A. , Sobczak N. , Pietrzak K. , Frydman K. , Wójcik-Grzybek D.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2016.15

Warianty tytułu

EN

Thermophysical properties of Cu-C composites obtained by powder metallurgy

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Wykonano badania materiałów kompozytowych typu Cu-C otrzymanych metodą metalurgii proszków domieszkowanych różnymi postaciami węgla (nanoproszek węgla, nanorurki węglowe oraz zredukowany tlenek grafenu). Na podstawie przeprowadzonych metodami skaningowej mikroskopii elektronowej badań strukturalnych oraz wykonanych badań właściwości termofizycznych (skaningowa kalorymetria różnicowa, dylatometria, analiza laserowa impulsowa) stwierdzono, że zastosowana procedura wytwarzania materiałów kompozytowych zapewnia zadawalające rozmieszczenie fazy węglowej w osnowie metalowej w skali makro i mezo. W skali mikro obserwowana jest porowatość oraz niejednorodność skutkująca obniżeniem przewodności cieplnej (TC < 400 W · m^-1 · K^-1), mimo zadawalających wyników względnej zmiany wymiarowej. Wprowadzenie zredukowanych płatków tlenku grafenu oraz węglowych nanorurek krótkich do matrycy Cu powoduje zmiany wymiarowe kompozytów w trakcie nagrzewania na skutek reakcji utleniania/redukcji osnowy Cu oraz utleniania fazy węglowej tlenem i wydzielania się produktów gazowych reakcji (CO₂, CO, C, H₂O i H₂ oraz węglowodorów). Kompozyt zmienia swoje wymiary – pęcznieje, a na jego powierzchni obserwowane są wybrzuszenia.

EN

Studies of composite materials of the Cu-C type with additives of different forms of carbon (carbon nanopowder, carbon nanotubes and reduced graphene oxide) were performed by the powder metallurgy method. Based on the structural tests conducted by scanning electron microscopy methods and the examinations of the thermophysical properties (differential scanning calorimetry, dilatometry, laser flash analysis), it was stated that the applied procedure of fabricating composite materials ensures a satisfactory distribution of the carbon phase in the metal matrix in the macro- and meso-scale. In the micro-scale, we observe porosity and heterogeneity resulting in a lowered thermal conductivity (TC < 400 W · m^-1 · K^-1), despite the satisfactory results of the relative dimensional change. Introducing reduced graphene oxide flakes and short carbon nanotubes into the Cu matrix causes dimensional changes in the composites during heating as a result of oxidation/reduction of the Cu matrix, as well as oxidation of the carbon phase by oxygen and emission of gas products of the reaction (CO₂, CO, C, H₂O and H₂ and hydrocarbons). The composite changes its dimensions: it expands, and bulges are observed on its surface.

Słowa kluczowe

PL

grafen; kompozyty; przewodność cieplna; stabilność wymiarowa

EN

graphene; composites; thermal conductivity; dimensional stability

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 56, no. 3
• Strony: 205--220
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Homa M.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Gazda A.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Sobczak N.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Pietrzak K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Frydman K.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Wójcik-Grzybek D.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

Bibliografia

• 1. Kang Q., X. He, S. Ren, L. Zhang, M. Wu, C. Guo, W. Cui, X. Qu. 2013. „Preparation of copper-diamond composites with chromium carbide coatings on diamond particles for heat sink applications”. Applied Thermal Engineering 60 (1−2) : 423−429.
• 2. Kidalov S.V., F.M. Shakhov. 2009. „Themral conductivity of diamond composites”. Materials 2 (4) : 2467−2495.
• 3. Kruszewski M., M. Rosiński, J. Grzonka, Ł. Ciupiński, A. Michalski. 2012. „Kompozyty Cu-diament o dużym przewodnictwie cieplnym wytwarzane metodą SPS”. Materiały Ceramiczne 64 (3) 333−337.
• 4. Wang J., Z. Li, G. Fan, Z. Chen, D. Zhang. 2012. „Reinforcement with graphene nanosheets in aluminium matrix composites”. Scripta Materialia 66 : 594−597.
• 5. Bastwros M., G. Kim, C. Zhu, K. Zhang, S. Wang, X. Tang, X. Wang. 2014. „Effect of ball milling on graphene reinforced Al6061 composite fabricated by semi-solid sintering”. Composites Part B: Engineering 60 : 111−118.
• 6. Bartolucci S.F., J. Paras, M.A. Rafiiee, J. Rafiee, S. Lee, D. Kapoor, N. Koratkar. 2011. „Graphene-aluminum nanocomposites. Materials Science and Engineering A 528 7933−7937.
• 7. Zainy M., N.M. Huang, S. Vijay Kumar, H.N. Lim, C.H. Chia, I. Harrison. 2012. „Simple and scalable preparation of reduced graphene oxide-silver nanocomposites via rapid thermal treatment”. Materials Letters 89 : 180−183.
• 8. Homa M., N. Sobczak, A. Gazda, A. Siewiorek, A. Kudyba, K. Pietrzak, K. Frydman, D. Wójcik-Grzybek, A. Strojny-Nędza. 2015. „Termofizyczne właściwości kompozytów Ag-C”. Materiały Ceramiczne 67 (3) : 248−256.
• 9. Pietrzak K., N. Sobczak, M. Chmielewski, M. Homa, A. Gazda, R. Zybała, A. Strojny-Nędza. 2016. „Effects of carbon allotropic forms on microstructure and thermal properties of Cu-C composites produced by SPS”. Journal of Materials Engineering and Performance 25 (8) : 3077−3083.
• 10. Sruti A.N., K. Jagaannadham. 2010. „Electrical Conductivity of graphene composites with In and In-Ga alloy”. Journal of Electronic Materials 39 (8) : 1268−1276.
• 11. Jagaannadham K. 2012. „Thermal conductivity of copper-graphene composite films synthesized by electrochemical deposition with exfoliated graphene platelets”. Metallurgical and Materials Transactions B 43 (2) 316−324.
• 12. Kumar H.G.P., M.A. Xavior. 2014. „Graphene reinforced metal matrix composite (GRMMC): A Review”. Procedia Engineering 97 : 1033−1040.
• 13. Cape J.A., G.W. Lehman. 1963. „Temperature and finite pulse time effect in the flash method for measuring thermal conductivity”. Journal of Applied Physics 34 (7) : 1909−1913.
• 14. Sobczak N., R. Nowak, W. Radziwill, J. Budzioch, A. Glenz. 2008. „Experimental complex for investigations of high-temperature behaviour of molten metals in contact with refractory materials”. Materials Science Engineering A 495 : 43−49.
• 15. Sobczak N., J. Schmidt, A. Kazakov. Urządzenie do badania właściwości powierzchniowych ciekłych stopów. Patent PL-166953, z dn. 26.07.1991.
• 16. Mahajan A., A. Kingon, A. Kukovecz, Z. Konya, P.M. Vilarinho. 2013. „Studies on the thermal decomposition of multiwall carbon nanotubes under different atmospheres”. Materials Letters 90 (2013) 165−168.