用于太阳能集热器的具有增强热性能和机械性能的石墨烯结合铝

【引言】

金属基复合材料以其优异的力学性能和热性能而具有广泛的技术应用前景。快速出现的实际应用，如微电子器件、热电伙伴、高性能机械结构等，只有借助于这些金属基复合材料才能实现商业上的可行性。对于这些金属基复合材料，为了提供特定的期望输出，仔细观察和调整几个关键参数是必不可少的。重量百分比、体积分数、尺寸、形状和方向等因素对最终复合样品的性质有显著影响。另一个重要因素是弥散相和金属基体之间的界面形成，这可以给最终复合结构带来有趣的特性，对物理和化学性能产生前所未有的修改或增强。在所有可能的金属基复合材料中，铝基复合材料(AMCs)在航空航天、汽车、电子电气设备和大量建筑材料等社会应用方面引起了极大的兴趣。

【成果介绍】

通过粉末冶金方法合成用于商业上可行的太阳能集热器的铝-石墨烯（Al-Gr）复合材料是一种简单而创新的方法。室温下，Al–Gr复合材料（石墨烯填料含量为1 wt.%）的导热系数约为∼280 W/mK，高于原始铝(∼124 W/mK）。利用L75HX（Linseis, Germany）膨胀计测量了所有样品的热膨胀系数（CTE），以研究热长度变化。结果表明，制备的复合材料具有较低的热膨胀系数。借助于X射线衍射技术、场发射扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、拉曼光谱等对复合材料的结构和形貌进行了详细的研究。此外，密度测量结果表明，即使在烧结处理后，复合材料的密度仍为原始铝密度的97.5%。X射线显微计算机断层扫描显示了样品的结构完整性和非多孔性，没有任何缺陷和变形。结果表明，Al–Gr复合材料在630℃下的热熔合满足强度要求，可以用作太阳能集热器和散热材料。

【图文导读】

图1：利用高能球磨机，在真空烧结的帮助下制备铝-石墨烯复合材料的工艺和发展示意图。

图2：（a）铝粉和（b）AlGr_1样品的FESEM图像。（c）纯铝和（d）AlGr_1复合材料的能量色散X射线光谱。元素映射数据显示（e）碳和（f）铝的存在及其在复合材料中的分布模式。

图3：（a） 使用粉末冶金技术合成的铝-石墨烯（Al-Gr）复合材料的XRD图谱和（b）对Al-Gr复合材料中石墨烯含量的拉曼分析。

图4：（a） 不同温度下Al–Gr复合材料的热膨胀系数（CTE）结果。（b） CTE结果与不同温度下铝基体中石墨烯的重量百分比（从0%到1%）的关系。（c） 铝-石墨烯复合球团在不同温度下的长度变化(∆L)（石墨烯在铝基体中的wt %从0%到1%）（d） 铝-石墨烯复合材料在不同温度下的相对膨胀率（%）。

图5：（a） 不同温度（从室温到300℃）下铝-石墨烯复合颗粒的热导率。(铝基体中石墨烯的含量为0%至1%)（b） 室温下的热导率结果描述了热导率与石墨烯重量百分比之间的非线性关系。

图6：两相复合（a）串联模型、（b）并联模型、（c）麦克斯韦模型和[（d）和（e）] Lewis–Nielsen模型的各种模型示意图。

图7：通过各种模型估算的铝-石墨烯复合材料相对于石墨烯重量分数的有效导热系数。

图8：通过Lewis–Nielsen模型计算复合材料的有效导热系数：（a）球形和（b）棒状或纤维状石墨烯颗粒。在较高浓度下，假定石墨烯颗粒为纤维状，A=2.08，并随机分布在铝基体中。

【结论】

在这项工作中，采用粉末冶金方法合成了铝-石墨烯复合材料，并在进行形态和成分分析之前进行了真空烧结。复合材料呈现均匀分布的球形颗粒，单个颗粒尺寸在10–20nm之间。分布结果显示了铝和石墨烯组分的均匀性。元素组成分析证实了整个扫描区域中铝和碳含量的均匀分布。Al–Gr复合材料的热性能和机械性能表明，该材料具有良好的热导率，可作为高效太阳能集热器。目前，纯铜和/或铝被广泛用于制造太阳能集热器。Al和Cu在室温下的导热系数分别为~ 237 W/mK和~ 401W/mK。在我们的例子中，我们得到了铝-石墨烯复合材料（将5 wt.%的石墨烯加入到铝块体中）的导热系数为410 W/mK，超过了铝和铜的导热系数。此外，我们还观察到，在不同温度下，铝-石墨烯复合材料的热膨胀系数（CTE）低于原始烧结铝，这表明铝-石墨烯复合材料比未烧结铝具有更高的热应力耐受性。