石墨烯增强铜基复合材料组织与性能研究

发布时间：2020-04-20 20:11

【摘要】：铜具有优良的导电、导热和加工性能,在航空航天、海洋工程、电子和汽车等领域获得广泛应用。然而,铜塑性高而强度低的特点使其应用受到一定的限制,采用传统的添加碳纤维或碳纳米管的方法能获得较好的增强效果,有效保证其高导电导热及耐磨等性能,但存在力学性能较差、制备比较困难等问题。因此,发展新型增强体对进一步挖掘铜的应用潜力具有重要意义。石墨烯具有超高强度和优异的导电导热性能,用于开发铜基复合材料具有显著优势,但是石墨烯具有较大的比表面积使其在制备过程中易发生团聚,在铜基体中实现均匀分散较困难,并且其与铜之间的润湿性较差。本文利用钛或铬有利于改善铜与石墨烯之间的润湿性的特点,通过在铜/钛或铜/铬的混合粉体中引入石墨烯增强相,使用超声分散和球磨法对粉体进行均匀分散、混合,采用放电等离子烧结(SPS)的方法制备石墨烯增强铜基复合材料,对制得的石墨烯铜基复合材料进行组织和性能表征,结果表明:(1)经超声和球磨后的复合材料粉体呈扁平状,石墨烯在铜粉中存在部分团聚的现象,经XRD分析混粉过程未发生氧化。(2)石墨烯增强铜/钛复合材料中的铜基体发生再结晶并伴随形成孪晶组织。随着烧结温度的升高,复合材料组织中晶粒尺寸总体上不断增大,孔隙等缺陷则相应有所减少。在750～900℃范围内升高温度,复合材料的密度值和硬度值呈上升趋势,而导电率逐渐下降。其中,在750℃的烧结温度下,复合材料导电率最高,达到56.8%IACS;在900℃的烧结温度下,复合材料的密度值为8.54 g/cm3,达到纯铜(8.51 g/cm3)水平,而布氏硬度值达到66.4,较纯铜(46.6)提高了 42.5%。(3)随着烧结压力增加,石墨烯增强铜/钛复合材料中的铜基体的晶粒总体上出现了较明显的细化,有利于改善复合材料的力学性能。在5MPa～30MPa范围内升高烧结压力,复合材料密度从4.47g/cm3增加至8.54g/cm3,提高了 391.1%,布氏硬度从33.4HB增加至66.4HB,提高了 98.8%,导电率呈现先增加后下降的规律,在25MPa的烧结压力下时导电率最大,为51.2%IACS。(4)在750～900℃范围内升高温度,石墨烯增强铜/铬复合材料的密度值和硬度值呈先上升后下降,又继续上升的趋势,而导电率先持平后逐渐下降。其中,烧结温度在750℃到850℃之间变化时,复合材料导电率始终处于50%IACS的水平没有变化;在900℃的温度下复合材料密度值达到最大值8.45g/cm3;在800℃时复合材料布氏硬度达到最大值54.8HB。另外,复合材料的金相组织随烧结压力的增加晶粒总体上逐渐细化。当烧结压力从15MPa升高到35MPa时,复合材料密度从7.84g/cm3增加至8.43g/cm3,提高了 7.53%,布氏硬度从43.4HB上升至57.3,提高了 32%,导电率呈现先下降后增加的规律,在35MPa的烧结压力下时导电率最大,为44.5%IACS。(5)随着石墨烯的添加量从0.1%增加至0.5%,石墨烯增强铜复合材料的密度先升高后降低;石墨烯增强铜复合材料的导电率从70.7%IACS下降至66.9%IACS,下降幅度较小;当加入0.1%石墨烯时,石墨烯增强铜复合材料硬度先上升后下降,石墨烯含量为0.3%时达到最大值51.4HB。铜/钛复合材料密度随石墨烯含量的变化也是先升高后降低。导电率则呈现先降低,后升高,最后又下降的趋势。当加入0.1wt%石墨烯时,铜/钛复合材料的导电率下降至55.3%IACS;当石墨烯添加量为0.3wt%时,其导电率小幅度上升至59.6%IACS;当石墨烯添加量为0.5%时,导电率略有下降至50.4%IACS。硬度随石墨烯掺量的变化呈现与导电率相反的趋势,并于添加量为0.5%时达到最大值63.7HB。铜/铬复合材料密度随石墨烯含量的变化也是先升高后降低。导电率则是随添加量的增加不断下降,当加入石墨烯时从0增加至0.5%时,导电率由66.6%IACS下降至41.3%IACS。硬度也是不断下降,当加入石墨烯时从0增加至0.5%时,硬度由61.8HB下降至55HB。
【图文】：

１．１引言逡逑石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）是一种碳原子通过ｓｐ２杂化轨道组成的六角型呈蜂窝状逡逑结构只有单原子层厚度的二维晶体材料（实物见图１．１）。由英国曼彻斯特大学逡逑物理学家于２００４年在实验中首次成功分离［１］。石墨烯被称为“工业味精”，与碳逡逑纳米管类似，很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它逡逑材料进行复合，从而制取具有优异性能的新型复合材料。由于石墨烯的特殊结构，逡逑使其具备超强的导电性能、导热性和强度，这些优良特性使得石墨烯成为制备金逡逑属基复合材料较为理想的增强体之一。以石墨烯为增强体制备石墨烯／铜复合材逡逑料，为生产出满足现代工业要求的高强、．高导、耐蚀铜基复合材料提供了新的途逡逑径。逡逑铜作为一种传统而又现代的重要金属材料，被广泛应用于航空航天、海洋工逡逑程、电子和汽车等领域。近年来，随着社会和科技的快速发展，对铜提出了更多逡逑更高的使用要求

积高达ＳＧＳＯｍＶｇＷ；室温下电子迁移率达２００００邋ｃｍ２／（Ｖ＿ｓ），超过商用桂片的１０倍逡逑［３］；热导率达５１５０Ｗ／（ｍ邋Ｋ），是金刚石的３倍石墨烯还具有高达１３０ＭＰａ逡逑的抗拉强度以及ｌ．0２ＴＰａ的弹性模量［５］；并且具有室温量子霍尔效应［６］。如图１．２逡逑所示，石墨烯弯曲成篮球状可得到零维的富勒烯，卷曲成柱状可得到一维的碳纳逡逑米管，紧密堆积形成普通石墨。石墨烯具有超大的比表面积，高纵横比的二维几逡逑何形状，以及突出的机械性能，这使得其在纳米填料复合材料方面具有优异潜能。逡逑．ｒ，邋Ｊ．邋ｆ．逦ｓ．ｓ．邋：．ｉ．ｓ．ｔ．ｔ．ｓ．ｔ．ｉ邋ｉ．ｌ．ｔＡｉ逡逑－＊．邋■？．－邋＊－－＊ｉ－＊＊邋＊？邋？．逦？？一逦？／＊？一逡逑；逦本逦４逡逑Ｉ逦，

本文编号：2634917