Przewodnictwo cieplne kompozytów o osnowie metalowej zbrojonych węglem

Homa, M.

doi:10.7356/iod.2016.22

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Przewodnictwo cieplne kompozytów o osnowie metalowej zbrojonych węglem

Autorzy

Homa M.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2016.22

Warianty tytułu

Thermal conductivity of carbon-reinforced metal-matrix composites

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

Praca przedstawia krytyczną analizę obecnego stanu wiedzy na temat właściwości termofizycznych metalowych materiałów kompozytowych, w których zastosowano różne typy zbrojącej fazy węglowej: grafit, diament, włókna węglowe, nanorurki węglowe, fulleren, grafen, tlenek grafenu. Materiały te musi cechować wysokie przewodnictwo cieplne (powyżej 300 W·(m·K)^-1), rozszerzalność cieplna zbliżona do materiału, z którego ciepło jest odprowadzane (4‒9 × 10^-6·K^-1), niskie przewodnictwo elektryczne, duża odporność na działanie erozyjne łuku elektrycznego, niska i stabilna rezystancja zestykowa. Zastosowanie różnych typów zbrojenia węglowego o strukturze typu 2D, jak nanorurki węglowe, fullereny, grafen czy tlenek grafenu otwiera nowe możliwości w zakresie kształtowania właściwości termofizycznych, w tym przewodności cieplnej. Niestety, zaawansowane metalowe kompozyty zbrojone fazą węglową o strukturze 2D są nadal rzadko stosowane ze względu na nierozwiązane dotąd problemy technologiczne łączenia matrycy metalowej z fazą węglową typu 2D, co przekłada się na niezadawalającą przewodność cieplną tych materiałów oraz skomplikowany proces produkcji i ich cenę.

The paper presents a critical analysis of the current state-of-the-art thermo-physical properties of metal composite materials, in which different types of carbon reinforcing phase have been used: graphite, diamond, carbon fibres, carbon nanotubes, fullerene, graphene and graphene oxide. These materials must possess high thermal conductivity (above 300 W·(m·K)^-1), thermal expansion similar to that of the material from which the heat is removed (4–9 × 10^-6·K^-1), low electric conductivity, high erosion resistance of the electric arc, as well as low and stable contact resistance. The application of various types of carbon reinforcement with a structure of the 2D type, such as carbon nanotubes, fullerenes, graphene or graphene oxide, opens new possibilities in the field of the formation of thermo-physical properties, including thermal conductivity. Unfortunately, advanced metal composites reinforced with a 2D type carbon phase are still rarely used, due to the unsolved technological problems connected with joining the metal matrix with the 2D type carbon phase, which results in unsatisfactory thermal conductivity of these materials as well as a complicated production process and a high price.

Słowa kluczowe

kompozyty metalowe węglowa faza zbrojąca przewodnictwo cieplne

metal-matrix composites carbon reinforcement thermal conductivity

Wydawca

Instytut Odlewnictwa

Czasopismo

Prace Instytutu Odlewnictwa

Rocznik

2016

Tom

Vol. 56, no. 4

Strony

329--350

Opis fizyczny

Bibliogr. 43 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Homa M.

marta.homa@iod.krakow.pl

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

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. Kruszewski M., M. Rosiński, J. Grzonka, Ł. Ciupiński, A. Michalski, K.J. Kurzydłowski. 2012. „Kompozyty Cu-diament o dużym przewodnictwie cieplnym wytwarzane metodą SPS”. Materiały Ceramiczne 64 (3) 333‒337.
3. Hutsch T., T. Schubert, J. Schmidt, T. Weißgärber, B. Kieback. 2010. Innovative metal-graphite composites as thermally conducting materials. W PM2010 World Congress − PM Functional Material – Heat Sinks, www.ifam.fraunhofer.de/content/dam/.../313_Hutsch_no530_final.pdf.
4. Qu X., L. Zhang, M. Wu, S. Ren. 2011. „Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications”. Progress in Natural Science: Materials International 21 (3) : 189‒197.
5. Kidalov S.V., F.M. Shakhov. 2009. „Thermal conductivity of diamond composites”. Materials 2 (4) : 2467‒2495, doi:10.3390/ma2042467.
6. Homa M., A. Siewiorek, A. Gazda, N. Sobczak, A. Kudyba, P. Turalska, K. Pietrzak, K. Frydman, D. Wójcik-Grzybek, A. Strojny-Nędza. 2014. „Thermophysical properties of Ag-C composites doped with carbon nanotubes”. Prace Instytutu Odlewnictwa 54 (1) 29‒40.
7. Nzoma E.Y., A. Guillet, P. Pareige. 2012. „Nanostructured multifilamentary carbon-copper composites: Fabrication, microstructural characterization, and properties”. Journal of Nanomaterials 2 012, a rticle I D 3 60818, doi:10.1155/2012/360818.
8. Prashantha Kumar H.G., M. Anthony Xavior. 2014. „Graphene reinforced metal matrix composite (GRMMC): A review”. Procedia Engineering 97 : 1033‒1040.
9. Moghadam A.D., E. Omrani, P.L. Menzes, P.K. Rohatgi. 2015. „Mechanical and tribological properties of self-lubricating metal matrix nanocomposites reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and graphene − A review”. Composites Part B: Engineering 77 (August 2015) 402‒420.
10. Prieto R., J. M. Molina, J. Narciso, E. Louis. 2011. „Thermal conductivity of graphite flakes-SiC particles/metal composites”. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 42 (12) : 1970‒1977.
11. Geffroy P.M., J.F. Silvain, J.M. Heintz. 2011. Elaboration and properties of carbon fibre reinforced copper matrix composites. W Advances in Composites Materials − Ecodesign and Analysis, ed. Brahim Attaf, 271‒290. Rijeka: InTech Europe.
12. Kuniya B.K., H. Arakawa, T. Kanai, A. Chiba. 1987. „Thermal conductivity, electrical conductivity and specific heat of copper-carbon fiber composites”. Transactions of the Japan Institute of Metals 28 (10) 819‒826.
13. Edtmaier C., T. Keppert. 2010. „About the effect of carbon nanotubes on the overall thermal conductivity in Cu-Ti/ CNT composites”. Powder Metallurgy Progress 10 (4) : 198‒206.
14. Edtmaier C., T. Steck, R.C. Hula, L. Pambaguian, F. Hepp. 2010. „Thermo-physical properties and TEM analysis of silver based MMCs utilizing metallized multiwall-carbon nanotubes”. Composites Science Technology 70 (5) : 783‒788.
15. Hasselman D.P.H., L.F. Johnson. 1987. „Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance”. Journal of Composite Materials 21 (6) 508‒515.
16. Ruch P.W., O. Beffort, S. Kleiner, L. Weber, P.J. Ugowitzer. 2006. „Selective interfacial bonding in Al(Si)-diamond composites and its effect on thermal conductivity”. Composites Science and Technology 66 (15) 2677‒2685.
17. Wang J., Z. Li, G. Fan, H. Pang, Z. Chen, D. Zhang. 2012. „Reinforcement with graphene nanosheets in aluminium matrix composites”. Scripta Materialia 66 (8) : 594‒597.
18. 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 (April 2014) : 111‒118.
19. 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.
20. Naga Sruti A., K. Jagaannadham, 2010. „Electrical conductivity of graphene composites with In and In-Ga alloy”. Journal of Electronic Materials 39 (8) : 1268‒1276.
21. Sahu S.R., M.M. Devi, P. Mukherjee, P. Sen, K. Biswas. 2013. „Optical property characterization of novel graphene-X (X = Ag, Au and Cu) nanoparticle hybrids”. Journal of Nanomaterials, article ID 232409, doi:10.1155/2013/232409.
22. Gao R., N. Hu, Z. Yang, Q. Zhu, J. Chai, Y. Su, L. Zhang, Y. Zhang. 2013. „Paper-like graphene-Ag composite films with enhanced mechanical and electrical properties”. Nanoscale Research Letters 8 (1) : 32, doi:101186/1556-276X-8-32.
23. Jagannadham 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.
24. 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 (December 2012) : 180‒183.
25. Bartolucci S.F., J. Paras, M.A. Rafiee, J. Rafiee, S. Lee, D. Kapoor, N. Koratkar. 2011. „Graphene-aluminum nanocomposites”. Materials Science and Engineering: A 528 (27) : 7933‒7937.
26. 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, DOI: 10.1007/s11665-015-1851-0.
27. Homa M., A. Gazda, N. Sobczak, K. Pietrzak, K. Frydman, D. Wójcik-Grzybek. 2016. „Thermophysical properties of Cu-C composites”. Transactions of the Foundry Research Institute 56 (3) : 205‒220.
28. Schubert T., Ł. Ciupiński, W. Zieliński, A. Michalski, T Weißgärber, B. Kieback. 2008. „Interfacial characterization of Cu/ diamond composites prepared by powder metallurgy for heat sinks applications”. Scripta Materialia 58 (4) : 263‒266.
29. Lloyd J.C., E. Neubauer, J. Barcena, W.J. Clegg. 2010. „Effect of titanium on copper-titanium/carbon nanofibre composite materials”. Composite Science and Technology 70 (16) : 2284‒2289.
30. Zhang Y., H.L. Zhang, J.H. Wu, X.T. Wang. 2011. „Enhanced thermal conductivity in copper matrix composites reinforced with titanium-coated diamond particles”. Scripta Materialia 65 (12) : 1097‒1100.
31. Chu K., Z. Liu, Ch. Jia, H. Chen, X. Liang, W. Gao, W. Tian, H. Guo. 2010. „Thermal conductivity of SPS consolidated Cu/diamond composites with Cr-coated diamond particles”. Journal of Alloys and Compounds 490 (1‒2) : 453‒458.
32. Fan Y., H. Guo, J. Xu, K. Chu, X. Zhu, Ch. Jia. 2011. „Effects of boron on the microstructure and thermal properties, of Cu/diamonds composites prepared by pressure infiltration”. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials 18 (4) : 472‒478, DOI: 10.1007/s12613-011-0465-2.
33. Xia Y., Y. Song, C. Lin, S. Cui, Z. Fang. 2009. „Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials”. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 19 (5) : 1161‒1166.
34. Tan Z., Z. Li, G. Fan, Q. Guo, X. Kai, G. Ji, L. Zhang, D. Zhang. 2013. „Enhanced thermal conductivity in diamond/aluminium composites with a tungsten interface nanolayer”. Materials & Design 47 (May 2013) : 160‒166.
35. Molina J.M., M. Rhême, J. Carron, L. Weber. 2008. „Thermal conductivity of aluminum matrix composites reinforced with mixtures of diamond and SiC particles”. Scripta Materialia 58 (5) : 393‒396.
36. Monje I.E., E. Louis, J.M. Molina. 2013. „Optimizing thermal conductivity in gas-pressure infiltrated aluminum/diamond composites by precise processing control”. Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing 48 (May 2013) : 9‒14.
37. Ekimov A., N.V. Suetin, A.F. Popovich, V.G. Ralchenko. 2008. „Thermal conductivity of diamond composites sintered under high pressures”. Diamond & Related Materials 17 (4‒5) 838‒843.
38. Koráb J., P. Šebo, P. Štefánik, S. Kavecý, G. Korb. Thermal conductivity of continuous carbon fibre reinforced copper matrix composites. http://www.iccm-central.org/Proceedings/ICCM12proceedings/site/papers/pap404.pdf.
39. Chu K., Q. Wu, Ch. Ja, X. Liang, J. Nie, W. Tian, G. Gai, H. Guo. 2010. „Fabrication and effective thermal conductivity of multi-walled carbon nanotubes reinforced Cu matrix composites for heat sink applications”. Composites Science and Technology 70 (2) : 298‒304.
40. Vincent C., J-M. Heintz, J-F. Silvain, N. Chandra. 2011. „Cu/CNF nanocomposite processed by novel salt decomposition method”. Open Journal of Composite Materials 1 : 1‒9, doi: 10.4236/ojcm.2011.11001.
41. Babul T., M. Baranowski, N. Sobczak, M. Homa, W. Leśniewski. 2016. „Thermophysical properties of Cu-matrix composites manufactured using Cu powder coated with graphene”. Journal of Materials and Performance 25 (8) : 3146‒3151, doi: 10.1007/s11665-016-2174-5.
42. Salamanca-Riba L., R. Isaacs, A.N. Mansour, A. Hall, D.R. Forrest, M.C. LeMieux, J. Shugart. 2012. A New Type of Carbon Nanostructure Formed Within a Metal-Matrix. W Conference Materials “Tech Connect World”, June 18‒20 2012, Santa Clara, CA, http://www.nanoqed.org/resources/2015/Riba.pdf.
43. Forrest D.R. 2015. Approaches to High Performance Conductors. W Next Generation Electric Machines Workshop NIST, 8 September 2015, Gaithersburg, MD, https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/pml/high_megawatt/Forest-2015-09-08_Forrest_NGEM_presentation_rev01.pdf.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-98153420-9434-4b71-9e1d-2fcdf1240998