Zespół
Tomasz Babul, Stefan Kowalski (zm.), Zdzisław Obuchowicz

Istota wynalazku

W konkursie przedstawiono tani sposób wytwarzania struktur węglowych zawierających grafen na proszkach miedzi z wykorzystaniem obróbki cieplno-chemicznej. Głównym celem prac Instytutu Mechaniki Precyzyjnej było wykorzystanie wyników i doświadczenia we wzroście grafenu na dwuwymiarowych podłożach metalicznych do wytworzenia grafenu na trójwymiarowych ziarnach miedzi. Stosując procesy cieplno-chemiczne, w których prowadzeniu Instytut ma wieloletnie doświadczenie, uzyskuje się kompozyt Cu-C o nazwie Grafen 3DIMP. Niski koszt procesu technologicznego otwiera szerokie możliwości jego zastosowania do wytwarzania nowej generacji zaawansowanych materiałów. Dodatkowo zaletą takiego rozwiązania jest uzyskiwanie dużych ilości grafenu zależnej od rozmiaru ziaren oraz możliwość kontroli finalnych parametrów materiału kompozytowego poprzez kontrolę procesu wzrostu grafenu.

Wzrost grafenu na miedzi niesie ze sobą wiele korzyści:
• powstaje na jej powierzchni pojedyncza warstwa grafenu,
• pozwala na tworzenie powłok o dużej powierzchni,
• folie i proszki miedziane relatywnie nie są drogie i łatwo dostępne na rynku.
Zarodkowanie i wzrost grafenu uzyskuje się poprzez wystawienie powierzchni metalu na działanie gazu zawierającego węglowodór pod niskim ciśnieniem. W wysokiej temperaturze następuje rozkład węglowodoru i powstanie węgla. Dzięki temu procesowi atomy węgla mogą dyfundować do metalu. Jeśli rozpuszczalność węgla w metalu jest większa od zera, rośnie wraz z temperaturą. Ze względu na bardzo małą rozpuszczalność węgla w miedzi (<0,001%) monowarstwa grafenu syntetyzowana jest w procesie samoograniczającym się, tzn. przy odpowiednich warunkach termodynamicznych wzrost grafenu automatycznie zatrzymuje się po wytworzeniu jednej warstwy. Dzięki temu w przyszłości możliwe będzie tworzenie dowolnie dużych powierzchni grafenowych.

Zaletą wzrostu grafenu na trójwymiarowych ziarnach miedzi jest uzyskiwanie dużych ilości grafenu zależnej od rozmiaru ziaren oraz możliwość kontroli finalnych parametrów materiału kompozytowego poprzez kontrolę procesu „hodowania” grafenu.

Wytwarzanie grafenu na miedzi w postaci proszku umożliwia produkcję kompozytów o podwyższonej przewodności cieplnej i elektrycznej, w których osnową jest miedź, natomiast fazą dyspersyjną grafen. Konsolidacja proszku pozwoli na uzyskanie gotowych elementów wykonanych z kompozytów Cu-C. Połączenie w materiale kompozytowym grafenu o unikalnych właściwościach (jako fazy dyspersyjnej) z nanokrystaliczną osnową metalową stwarza potencjalnie duże możliwości w kształtowaniu właściwości takiego materiału.

Potencjał komercjalizacji

Kompozyty Cu-C w postaci proszku mogą znaleźć zastosowanie w produkcji:
• styków elektrycznych o podwyższonej przewodności cieplnej i elektrycznej (zastosowanie w stycznikach energetycznych),
• cewek o wysokiej dobroci (zastosowania w głośnikach, transformatorach, maszynach elektrycznych – w tym w przemyśle samochodowym),
• kabli transmisyjnych i przesyłowych (sieci energetyczne, sieci transmisyjne, sprzęt audiofilski) – lepsza przewodność, mniejsze straty podczas przesyłu, lepsza jakość transmisji,
• wymienników ciepła dla energetyki – podwyższenie sprawności,
• radiatorów do chłodzenia układów elektronicznych – podwyższenie sprawności,
• aparatury do procesów wysokotemperaturowych w przemyśle spożywczym – wykorzystanie właściwości bakteriobójczych
i odporności na korozję w wysokich temperaturach,
• łożysk ślizgowych – zmniejszenie tarcia, podwyższenie trwałości,
• smarów i past w zastosowaniach technologicznych (antykorozyjne, przeciw zapiekaniu).