搅拌摩擦加工制备铜基石墨烯复合材料

发布时间：2020-07-17 21:05

【摘要】：铜及铜合金具有优良的导电、导热性能及良好的塑性而被广泛地应用。但是因其表面硬度及抗摩擦磨损能力相对较低,导致在恶劣的工况环境中服役时间大大缩短。石墨烯具有高强度,高热导率,高导电性,所以石墨烯在铜基复合材料中是最佳的增强相材料。搅拌摩擦加工是由搅拌摩擦焊接技术衍生出的材料表面加工工艺,利用搅拌摩擦加工对金属表面一定厚度的表面层进行摩擦搅拌,搅拌区的金属发生三维剧烈的塑性流动,实现固相状态下的剧烈塑性变形。本文采用搅拌摩擦加工技术,在铜基板表面制备石墨烯、Al_2O_3和SiC粉末增强铜复合材料,利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度,拉伸实验、摩擦磨损实验等检测手段,分析搅拌摩擦区不同区域的微观组织变化、搅拌时金属塑性流动、粉末的偏聚现象、拉伸断口的形貌、抗摩擦磨损能力以及导电性能。研究结果表明,由搅拌摩擦后晶粒组织得到明显的细化,力学性能改善。但在同等工艺条件下,石墨烯在铜合金中搅拌混合较Al_2O_3和SiC粉末充分,铜基石墨烯复合材料从硬度、抗拉强度、抗摩擦磨损能力及导电率各方面均优于其它两种复合材料。所以利用搅拌摩擦加工在铜合金表面制备铜基石墨烯复合材料具有工程实际应用意义,搅拌摩擦制备铜基石墨烯复合材料的研究工作对于深入认识金属基石墨烯复合材料中的科学问题具有理论价值。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

石墨,结构示意图

烯的理论杨氏模量为 1.0TPa，拉伸强度为 130GPa。石墨烯晶格结构的稳定性稳定性使得石墨烯中碳原子具有优异的导电性。的电子在轨道中运动时，不会因晶格的缺陷或引入外来的原子而发生散射降低导电性。又因为碳原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子撞，石墨烯中电子受到的干扰也会大大减小，石墨烯在室温下的载流子迁 15000cm2/(V·s)，是目前已知载流子迁移率最高物质锑化铟（InSb）的两倍材料的 10 倍多。在特定条件下，如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可00cm2/(V·s)。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响500K 之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在 15000cm2/(V·s)左石墨烯具有优异的热传导性能。纯单层石墨烯若无缺陷时，其导热系数可W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/m碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达 600(W/mK)。此烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下

示意图,搅拌摩擦焊,示意图

擦焊(Friction Stir Welding，简称 FSW)是发明于 1991 年的焊究所申请了专利[25]。搅拌摩擦焊的原理是通过工件接触的端擦产生大量的热，使工件表面焊接部位达到热塑化状态，然后一种方法，接头一般有搭接和对接，如图 1-2 所示搭接示意图应用于同种材料或异种材料的焊接，在机械制造业慢慢得到擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，搅拌摩擦焊针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过搅拌针的高速旋转，擦，从而使连接部位的材料温度升高从而得到软化来完成焊示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头一边高速缝与工件相对移动。搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌，擦生热，并可以于防止塑性状态的材料溢出，同时可以起到。

示意图,铜基,石墨,导热性能

实现石墨烯与金属之间塑性流动混合弥散，的导电和导热性能，但是作为结构材料，其力，在保持导电和导热性能的前提下，提高其的耐磨性，没有很好的技术选择。各种类型都导致其导电和导热性能的损失。在铜金属料层，利用石墨烯优秀的导电、导热和力学性能的前提下，改善力学性能，具有相当高的应突破。例如，提高铁路电动机车上滑动导电进一步提高，滑动导电构件的耐磨性问题越导电构件（如导轨）的耐磨性问题；连铸连；另外，还有应用广泛的各类电器元件等。备巨大的应用潜力。

【参考文献】