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.

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.

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.

Рисунок 1. Схема формирования композита с изображением структуры его элементов на разных этапах. Источник: Murzaev et al. / Materials, 2023.

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.

Рисунок 2. Зависимость теплового расширения и теплопроводности композита никель/графен от количества никеля в его составе. Источник: Murzaev et al. / Materials, 2023.