用于太陽能集熱器的具有增強熱性能和機械性能的石墨烯結合鋁

【引言】

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

【成果介紹】

通過粉末冶金方法合成用于商業上可行的太陽能集熱器的鋁-石墨烯（Al-Gr）復合材料是一種簡單而創新的方法。室溫下，Al–Gr復合材料（石墨烯填料含量為1 wt.%）的導熱系數約為∼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（CTE），以研究熱長度變化。結果表明，制備的復合材料具有較低的熱膨脹系數。借助于X射線衍射技術、場發射掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜、拉曼光譜等對復合材料的結構和形貌進行了詳細的研究。此外，密度測量結果表明，即使在燒結處理后，復合材料的密度仍為原始鋁密度的97.5%。X射線顯微計算機斷層掃描顯示了樣品的結構完整性和非多孔性，沒有任何缺陷和變形。結果表明，Al–Gr復合材料在630℃下的熱熔合滿足強度要求，可以用作太陽能集熱器和散熱材料。

【圖文導讀】

圖1：利用高能球磨機，在真空燒結的幫助下制備鋁-石墨烯復合材料的工藝和發展示意圖。

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

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

圖4：（a） 不同溫度下Al–Gr復合材料的熱膨脹系數（CTE）結果。（b） CTE結果與不同溫度下鋁基體中石墨烯的重量百分比（從0%到1%）的關系。（c） 鋁-石墨烯復合球團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-石墨烯復合顆粒的熱導率。(鋁基體中石墨烯的含量為0%至1%)（b） 室溫下的熱導率結果描述了熱導率與石墨烯重量百分比之間的非線性關系。

圖6：兩相復合（a）串聯模型、（b）并聯模型、（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-石墨烯復合材料相對于石墨烯重量分數的有效導熱系數。

圖8：通過Lewis–Nielsen模型計算復合材料的有效導熱系數：（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，并隨機分布在鋁基體中。

【結論】

在這項工作中，采用粉末冶金方法合成了鋁-石墨烯復合材料，并在進行形態和成分分析之前進行了真空燒結。復合材料呈現均勻分布的球形顆粒，單個顆粒尺寸在10–20nm之間。分布結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域中鋁和碳含量的均勻分布。Al–Gr復合材料的熱性能和機械性能表明，該材料具有良好的熱導率，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在室溫下的導熱系數分別為~ 237 W/mK和~ 401W/mK。在我們的例子中，我們得到了鋁-石墨烯復合材料（將5 wt.%的石墨烯加入到鋁塊體中）的導熱系數為410 W/mK，超過了鋁和銅的導熱系數。此外，我們還觀察到，在不同溫度下，鋁-石墨烯復合材料的熱膨脹系數（CTE）低于原始燒結鋁，這表明鋁-石墨烯復合材料比未燒結鋁具有更高的熱應力耐受性。