Numerical and experimental investigation of thermal performance of graphene reinforced aluminium

Abstract

Graphene is a material with superior properties such as high thermal conductivity and mechanical strength. These exceptional properties make graphene a good candidate for being used as a reinforcement agent in other materials. Aluminium is a widely used material in industry for thermal applications for being cheap, lightweight and having high thermal conductivity. In the literature, there are many examples of graphene reinforced aluminium production. Also, the effects of graphene on thermal conductivity and mechanical properties of aluminium are also investigated experimentally. However, there are limited molecular dynamics studies for graphene-aluminium composites. In this work, aluminium, graphene and graphene coated aluminium are modeled and simulated with non-equilibrium molecular dynamics method. Length, width, height, temperature dependence of thermal conductivity of these models are investigated. In addition, effects of graphene layer number, defect size and defect locations are also reported. Additionally, an experimental setup is designed and produced for a comparative study. Thermal performances of aluminium alloy and graphene nanoplatelet reinforced aluminium are investigated with a convection heat transfer test.

Grafen yüksek termal iletkenlik ve mukavemet gibi üstün özelliklere sahip bir malzemedir. Bu istisnai özellikleri, grafeni, diğer malzemelerin özelliklerinin güçlendirilmesinde kullanılması için iyi bir aday yapmaktadır. Alüminyum, ucuz, hafif, dayanıklı ve yüksek termal iletkenliğe sahip olmasından dolayı sanayide oldukça fazla kullanılan bir malzemedir. Literatüde, grafen ile güçlendirilmiş alüminyum üretiminin çeşitli örnekleri bulunmaktadır. Ayrıca literatürde, grafenin alüminyumun termal iletkenliğine ve mekanik özelliklerine olan etkisinin deneysel olarak incelendiği çalışmalar da bulunmaktadır. Fakat, grafen-alüminyum kompozitleri için yapılmış çok az sayıda moleküler dinamik çalışması bulunmaktadır. Bu çalışmada, saf alüminyum, grafen ve grafen kaplı alüminyum modellendi ve moleküler dinamik yöntemi ile simüle edildi. Uzunluk, genişlik, kalınlık ve sistem sıcaklığı gibi parametrelerin bu modellerin termal iletkenliği üzerindeki etkisi incelendi. Ayrıca, grafen katman sayısı, hata boyutu, hata şekli ve hata konumunun etkisi de hesaplandı. Ek olarak, karşılaştırmalı bir çalışma için deney düzeneği tasarlandı ve üretildi. Konveksiyon yoluyla ısı transferi testi grafen ile güçlendirilmiş alüminyum ve saf alüminyum malzemeler üzerinde yapıldı ve grafenin termal performansa etkisi bu yöntemle incelendi.