ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ
Аннотация
Проведен анализ влияния типа и концентрации углеродных наноматериалов на тепло- и электропроводность наноструктурных композитов на основе алюминия, с учетом современных представлений о механизмах и особенностях транспортных свойств поликристаллических материалов. Эксперимент проводился на нанострутурированных объемных образцах, полученных путем спекания и экструзии порошкового материала после механоактивационной обработки в планетарной мельнице Al c различными углеродными добавками, средний размер зерен полученного порошкового материала составил 30-100 нм в зависимости от концентрации и типа модифицирующей добавки. Проведены испытания транспортных свойств (электропроводность, температуро- и теплопроводность) образцов алюмоматричного композита модифицированных углеродными наноструктурами при температурах от 300 до 800 К (измерение теплопроводности проводились методом лазерной вспышки, электропроводность измерялась 4-х точечным контактным методом). Установлено, что теплопроводность алюмоматричных композиционных материалов, модифицированных углеродными наноструктурами, оказалась в среднем в 2 раза ниже исходного алюминия. При этом кроме размера кристаллитов алюминия в композите, влияние на величину теплопроводности оказывают структурные, физико-механические и химические особенности применяемых углеродных наноматериалов. Таким образом установлено, что экструдированные образцы композитов обладают анизотропией транспортных свойств порядка 5-8% в поперечном и продольных сечениях относительно оси экструзии. После отжига теплопроводность уменьшается на 5-10%, что, скорее всего, связано с распадом твердого раствора и выделения интерметаллидов алюминий-магний на границах зерен, что подтверждается данными рентгенофазового анализа. Установлено влияние электронфононного рассеяния на особенности в поведении электропроводности в алюмоматричных композиционных материалах, модифицированных углеродными наноструктурами.
Литература
CRC Handbook of Chemistry and Physics. Ed. by J. Rumble. CRS Press. 2020. 1572 p.
Kittel Ch. Introduction to solid state physics. М.: ООО «MediaStar». 2006. 792 p. (in Russian).
Thermoelectric Handbook Macro to Nano. Ed. by D.M. Rowe. CRS Press. 2006. P. 29-1 - 29-11. 25.
Minnich A.J., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects. Energy Environ. Sci. 2009. V. 2. P. 466-479. DOI: 10.1039/B822664B.
Kim D., Moon J. Highly conductive ink jet printed films of nanosilver particles for printable electronics. Electrochem. Solid State Lett. 2005. V. 8. N 11. P. 30-33. DOI: 10.1149/1.2073670.
Liang L.H., Baowen L. Size-dependent thermal conductivity of nanoscale semiconducting systems. Phys.
Rev. B. 2006. V. 73. N 15. P. 153303-153307. DOI: 10.1103/PhysRevB.73.153303.
Esawi A.M.K., Morsi K., Sayed A., Gawad A.A., Borah P. Fabrication and properties of dispersed carbon nanotube–aluminum composites. Mater. Sci. Eng. A, Struct. Mater.: Prop. Microstruct. Process. 2009. V. 508. N 1-2. P. 167-173. DOI: 10.1016/j.msea.2009.01.002.
Gupta R., Tripathy A., Chaubey A.K. Development of CNT Reinforced Al Matrix FGM for Advanced Applications
in Lightweight and High Strength Components. ARIAM 2019. 2020. V. 5. P. 350-356. DOI: 10.1007/978-3-030-
-9_32.
Choi H.J., Kwon G.B., Lee G.Y., Bae D.H. Reinforcement with carbon nanotubes in aluminum matrix composites. Scr. Mater. 2008. V. 59. N 3. P. 360. DOI: 10.1016/j.scriptamat. 2008.04.006.
Estrada-Guel I., Carreno-Gallardo C., Cardoso-Cortes J.L., Rocha-Rangel E., Herrera-Ramirez J.M., Martinez-Sanchez R. Effect of metallic addition on mechanical properties in an aluminum–graphite composite synthesized by means of mechanical milling. J. Alloys Compd. 2010. V. 495. N 2. P. 403-407. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.10.256.
Tokunaga T., Kaneko K., Sato K., Horita Z. Microstructure and mechanical properties of aluminum–fullerene composite fabricated by high pressure torsion. Scr. Mater. 2008. V. 58. P. 735-738. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.12.010.
Choi K., Shin S., Bae D., Choi H. Mechanical Properties of Aluminium-Based Nanocomposite Reinforced with Fullerenes. Light Metals. 2014. P. 1437-1440. DOI: 10.1007/978-3-319-48144-9_240.
Bürkle M., Asai Y. How to Probe the Limits of the Wiedemann–Franz Law at Nanoscale. Nano Lett. 2018. V. 18.
N 11. P. 7358–7361. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03651.
Ronning F., Hill R.W., Sutherland M., Hawthorn D.G., Tanatar M.A., Paglione J., Taillefer L., Graf M.J., Perry R.S., Maeno Y., Mackenzie A.P. Thermal Conductivity in the Vicinity of the Quantum Critical End Point in Sr3Ru2O7. Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 067005. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.067005.
Khodel V.A., Clark J.W., Shaginyan V.R., Zverev M.V. Fate of the Wiedemann-Franz Law near Quantum Critical
Points of Electron Systems in Solids. JETP Lett. 2015. V. 102. P. 826-833. DOI: 10.7868/S0370274X15240091.
Sullivan D.M. Quantum Mechanics for Electrical Engineers. Wiley IEEE Press. 2012. 448 p.
Gorelik S.S., Dashevsky M.Ya. Materials science of semiconductors and dielectrics. M .: MISiS. 2003.480 p.
Zameshin A., Popov M., Medvedev V. Electrical conductivity of nanostructured and C60-modified aluminum. Appl. Phys. A. 2012. V. 107. P. 863–869. DOI: 10.1007/s00339-012-6805-x.
Mayadas A.F., Shatzkes M., Janak J.F. Electrical resistivity model for polycrystalline films: the case of specular
reflection at external surfaces. Appl. Phys. Lett. 1969. V. 14. N 11. P. 345-347. DOI: 10.1063/1.1652680.
Mayadas A.F. Electrical-resistivity model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces. Phys. Rev. B. 1970. V. 1. N 4. P. 1382-1389. DOI: 10.1103/PhysRevB.1.1382.
Popov M., Medvedev V., Blank V., Denisov V., Kirichenko A., Tat'yanin E., Aksenenkov V., Perfilov S., Lomakin
R., D'yakov E., Zaitsev V. Fulleride of aluminum nanoclusters. J. Appl. Phys. 2010. V. 108. N 9. P. 094317-094317-6.
DOI: 10.1063/1.3505757.
Evdokimov I.A., Pivovarov G.I., Blank V.D., Aksenenkov V.V., Kirichenko A.N., Vaganov V.E. Metal-carbon composite material on based of aluminum. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. [Russ. J. Chem. & Chem. Tech.]. 2011. V. 54. N 7. P. 58-62.
Evdokimov I.A., Perfilov S.A., Pozdnyakov A.A., Blank V.D., Bagramov R.Kh., Perezhogin, I.A., Kulnitsky B.A.,
Kirichenko A.N., Aksenenkov V.V. Nanostructured Composite Materials Based on Al–Mg Alloy Modified with Fullerene C60. Inorg. Mater.: Appl. Res. 2018. V. 9(3). P. 472-477. DOI: 10.1134/S2075113318030139.
Murashkin M.Yu., Kil’mametov A.R., Valiev R.Z. Structure and mechanical properties of an aluminum alloy 1570 subjected to severe plastic deformation by high-pressure torsion. Phys. Metals. Metall. 2008. V. 106(1). P. 90–96.6. DOI: 10.1134/S0031918X08070120.
Vanin M., Mortensen J.J., Kelkkanen A.K., GarciaLastra J.M., Thygesen K.S., Jacobsen K.W. Graphene on
metals: A van der Waals density functional study. Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 081408. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.
McCarthy B. A Microscopic and Spectroscopic Study of Interactions between Carbon Nanotubes and a Conjugated Polymer. J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. N 9. P. 2210–2216. DOI: 10.1021/jp013745f.
Barbary El., Telling A., Ewels R. Heggie C., Briddon M. Structure and energetics of the vacancy in graphite. Phys. Rev. B. 2003. V. 68. N 14. P. 144107/1-144107/7. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.144107.
Gillan M.J. Calculation of the vacancy formation energy in aluminium. J. Phys. Condens. Matter. 1989. V. 1. N 4. P. 689.
