碳纳米材料增强铜基复合材料的制备、组织及性能研究

发布时间：2020-09-11 12:24

　　碳纳米材料,包括一维结构的碳纳米管(CNTs)和二维结构的石墨烯(GP),具有高弹性模量,高抗拉强度,优异的导电、导热性能等,因此它们被视为理想的增强体材料之一。然而,由于碳纳米材料自身因范德华力极易团聚,且与铜(Cu)基体的相容性和润湿性差使其界面结合不牢固等问题,导致其增强Cu基复合材料的强化效果不明显。鉴于此,本文以碳纳米材料增强Cu基复合材料的结构设计、分散性、界面结合为出发点,开展碳纳米材料增强Cu基复合材料的制备、微观结构和宏观性能的研究。实验结果表明:(1)以具有一定方向性的CNTs薄膜为基板,在其表面进行电沉积Cu,从而制备出Cu/CNT/Cu结构的层状复合材料。研究制备工艺,包括:电镀液、电流密度、沉积电量、CNTs薄膜表面预处理等手段,对复合材料电学性能的影响。当采用氧化处理的CNTs在BAPB电镀液中电流密度为1mA·cm~(-2)、沉积电量为50C·cm~(-2)时,制备的CNTs/Cu复合材料的电学性能最好,其导电率达到4.09×10~5S·cm~(-1),载流量达到1.54×10~4A·cm~(-2)。(2)采用电沉积法和放电等离子烧结(SPS)相结合制备出层状(CNTs-Cu)/Cu复合材料,研究电流密度对复合材料力学性能的影响。当电流密度为1A·dm~(-2)时,复合材料的屈服强度和抗拉强度相比与纯Cu分别提高了146%和36%,断裂延伸率超过20%。(3)以网络状的CNT-还原氧化石墨烯(RGO)混合结构为增强体,采用粉末冶金法制备CNT-RGO/Cu复合材料,研究不同比例、成分的CNT-RGO混合结构对Cu基复合材料力学性能的影响。网络结构的CNT-RGO混合结构能够有效提高碳纳米材料在Cu基中的强化效率,通过强化机制分析,表明强化效率的提高主要来源与载荷转移作用。一方面在混合结构中其分散性得到优化;另一方面在CNT-RGO结构中载荷不仅能从界面处得到传递,而且能在CNT-RGO内部得到有效传递。(4)采用纳米Cu粉与不同表面状态的CNTs超声分散并结合SPS制备出CNTs/Cu复合材料,研究CNT/Cu界面结构对材料力学性能的影响。对CNTs表面进行预处理能够有效增强CNT/Cu界面结合强度,界面过渡区、界面氧原子、原位生成的碳化物均能有效的改善Cu与CNTs之间的界面结合,从而提高复合材料的强度。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

碳纳米管,结构示意图,薄片,石墨

图 1.1 碳纳米管(CNTs)结构示意图：(a)SWCNT；(b)MWCNT。Fig.1.1 Schematic illustration of CNTs: (a)SWCNT；(b)MWCNT.s 石墨薄片卷曲的层数，CNTs 可以分为单壁 CNTs()[8]，如图 1.1 所示。SWCNTs 是由单层的石墨薄片卷曲而

示意图,空位缺陷,双原子,单原子

陷示意图：(a)单原子空位；(b)双原子空位；(c)单原子空位缺陷结空位缺陷结构转变。matic illustration of atomic vacancy defect: (a) single atom vacancy; (b)of single atom vacancy defects; (d) structural transformation of diatomic

示意图,拓扑缺陷,七元环,碳结构

缺陷示意图：(a)单原子空位；(b)双原子空位；(c)单原子空位缺陷结构空位缺陷结构转变。hematic illustration of atomic vacancy defect: (a) single atom vacancy; (b); (n of single atom vacancy defects; (d) structural transformation of diatomic v为多元环缺陷。拓扑缺陷则是指在 CNTs 管壁六边形网络结构环，这两种缺陷能够分别引起 CNTs 管壁的正弯曲和负弯曲（如布能够决定 CNTs 的形状。

【参考文献】