三维网络石墨烯增强铜基复合材料的制备及性能研究

发布时间：2018-02-16 16:48

本文关键词： 石墨烯泡沫铜复合材料界面　出处：《哈尔滨工业大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：铜及其合金具有高导热性和高导电性等优点,数百年来被人类开发利用,广泛的应用于机械、电子和航天等领域。但其强度低、耐高温性差的缺点,使其应用范围受到了极大地限制,已无法满足目前工业生产的要求。石墨烯作为一种新型增强体已经在金属基复合材料领域取得了一定的研究进展。目前石墨烯增强铜基复合材料的增强体主要为氧化还原石墨烯,尽管其在力学性能方面得到了大幅度提升,但由于添加的氧化还原的石墨烯材料表面结构缺陷及含氧官能过多,导致本体材料在电学以及热学方面性能遭到严重恶化。石墨烯增强体在铜基体中分散性差是目前石墨烯增强铜基复合材料的另一项需要解决的问题。泡沫铜是一种新型的具有三维多孔结构的金属材料,同时还是化学气相沉积法(CVD)生长高质量石墨烯的常用基底。本文采用泡沫铜金属基底制备三维网络石墨烯,意在解决石墨烯质量差且在基体中分散性差、易团聚等问题,制备高质量石墨烯并使其能够均匀地分散在基体中,最大限度的发挥其作为增强体的作用。本文探究了CVD法制备三维网络石墨烯的工艺,确定了以泡沫铜基底,采用CVD法生长三维网络石墨烯的最佳工艺参数为沉积温度1000℃、沉积时间12 min、沉积气体流量比甲烷:氢氩混合气=10 sccm:90 sccm,获得的三维石墨烯为优质的3~5层石墨烯,缺陷少、晶化程度高且结构完整。采用最佳工艺参数制备得到了内部孔洞相互贯通的且结构完整的自支撑三维网络石墨烯骨架。采用放电等离子烧结(SPS)技术制备三维网络石墨烯增强铜基复合材料。对复合材料进行光学显微镜观察,未发现石墨烯大面积团聚的现象。对复合材料腐蚀处理后的表面进行扫描电子显微镜观察,发现了完整的网络状石墨烯薄膜,说明烧结过程中三维网络石墨烯骨架结构并未遭到破坏。此外,三维网络石墨烯在复合材料中可以使铜晶粒得到细化。获得的复合材料与纯铜相比:拉伸屈服强度提升160 MPa,抗拉强度提升48.6 MPa,压缩屈服强度提升193MPa;线热膨胀系数降低了1.3×10-6/℃;国际淬火铜标准(IACS)值达到了73.8%;导热性能提升了15.1%;弹性模量和硬度分别提升了6.3%和4.3%。探究了镀覆处理能否促进铜在石墨烯表面的润湿。研究表明,对石墨烯表面进行真空镀覆铜金属层处理后,Ag-Cu钎料在镀层表面的润湿角与在石墨烯表面相比有所下降,同时,钎料的铺展面积增大。这说明,镀覆处理能够促进铜在石墨烯表面的润湿,可以改善石墨烯与铜界面结合状况。镀覆处理后制备的三维网络石墨烯增强铜基复合材料的力学性能较未处理之前得到进一步的提升,拉伸屈服强度和抗拉强度较未处理前分别提升了49.95 MPa和42.40 MPa,径向压缩屈服强度提升了22.3MPa;导电导热性能提升明显,电导率达到了43.74 S/m,IACS值达到了77.2%,热导率达到了281.5 W/mk,导热系数较纯铜提升了17.7%,较未处理前提升了1.7%;平均线热膨胀系数为15.4×10-6/℃,较之纯铜下降了14.4%,较未处理前下降了7.7%。复合材料的密度较纯铜有所降低。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB333

【参考文献】