石墨烯表面负载金属及其掺杂钨铜复合材料的研究

发布时间：2020-10-13 01:11

　　 钨铜触头作为高压断路器的核心部件,承载导通电流,当过载时及时分断故障电流,以保证电网的安全。在分断故障电流时,在WCu触头表面会形成高密度的大电弧,造成触头表面熔化。采用细化晶粒和微合金化的方法可使触头材料具有高的强度和分散电弧特性,能抑制触头的过早烧蚀。尽管近年来从细化显微组织和微合金化继而获得高强度和分散电弧等方面取得巨大的发展,但是在提高强度、分散电弧的同时,必然导致触头导电性能的下降。这对电压等级、开断电流越来越高的高压断路器来讲是非常不利的。为此,本课题引入超强、高导的石墨烯作为掺杂相,在石墨烯表面负载金属,解决以往钨铜合金性能此消彼长的矛盾,解决石墨烯与基体严重的界面反应、润湿性差及易团聚的问题。本文采用化学镀方法制备石墨烯负载金属粉体,然后利用放电等离子体烧结(SPS)和熔渗烧结技术制备Cu@graphene/WCu(Cu@Gr/WCu)复合材料,采用SEM、XRD、TEM、AFM、拉曼、红外及维氏硬度计、数字金属电导率仪等对石墨烯负载金属粉体及钨铜合金微观组织,力学性能和电学性能进行了分析。结果表明:利用Hummer's法以鳞片石墨为原料制备氧化石墨,然后再将氧化石墨加入分散剂中超声剥离为氧化石墨烯溶液,加入含有硫酸铜或硫酸镍,还原剂等的镀液中利用改进的化学镀方法即一步还原法制备石墨烯负载金属粉体。石墨烯表面的铜颗粒为晶体结构,镍颗粒为非晶结构,金属粒子分布均匀且高度分散,负载效果较好。铜颗粒、镍颗粒和石墨烯的结合方式为化学结合。掺杂石墨烯负载铜的钨铜复合粉体在1150°C,保温10min,压力为30MPa的工艺条件下,由放电等离子体烧结为块体,其主要由钨、铜和石墨烯组成。石墨烯以片状的形式分布于网络状的粘结相铜上。少量掺杂量的石墨烯负载铜粉体一方面可部分避免钨与石墨烯的反应生成碳化钨,另一方面使钨铜合金的电性能与机械性能协同提高。当石墨烯负载铜的掺杂量为0.45wt%时,钨铜合金电导率和硬度分别是43.1%IACS,238HV。与未掺杂石墨烯负载铜的钨铜复合材料相比,分别提高了79.65%,15%。掺杂石墨烯负载铜的钨铜复合粉体在1300°C,保温90min的工艺条件下,由普通熔渗烧结为块体,其主要由钨、铜和石墨烯组成。当石墨烯负载铜的掺杂量为0.45wt%时,钨铜合金的电导率和硬度分别是46.6%IACS,238HV。与未掺杂石墨烯负载铜的钨铜复合材料相比,分别提高了30.2%,5%。提出了石墨烯负载铜及SPS烧结石墨烯负载铜增强钨铜复合材料的形成机理。石墨烯负载铜的形成首先是金属铜离子吸附于氧化石墨烯表面的含氧官能团,然后在还原剂的作用下,氧化石墨烯及金属离子同时还原得到石墨烯负载铜。Cu@Gr/WCu的形成机理是,在由压头流出的直流脉冲电流的作用下,钨颗粒及石墨烯负载铜表面聚集大量焦耳热,聚集的热量迅速传递到其他颗粒间然后布满整个样品。经过烧结,最后得到粘结相铜呈连续网络状分布,骨架相钨和掺杂相石墨烯均匀分布在其周围的连续网络状结构的石墨烯增强钨铜合金。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB333;TM503.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 钨铜合金
        1.1.1 钨铜合金的组织性能及应用
        1.1.2 钨铜合金的制备技术
        1.1.3 钨铜合金的研究进展
    1.2 石墨烯简介
        1.2.1 石墨烯的组织结构
        1.2.2 石墨烯的性能特点
        1.2.3 石墨烯的应用
    1.3 石墨烯负载金属
        1.3.1 石墨烯负载金属问题的提出
        1.3.2 石墨烯负载金属的制备方法
        1.3.3 石墨烯负载金属的表征方法
        1.3.4 石墨烯负载金属的研究进展
    1.4 石墨烯增强金属基复合材料的研究进展
    1.5 本课题研究目的意义和内容
        1.5.1 本课题研究目的意义
        1.5.2 本课题研究内容
2 实验方案及方法
    2.1 实验方案
    2.2 实验设备及实验材料
        2.2.1 实验设备
        2.2.2 实验材料
    2.3 实验材料的制备
        2.3.1 氧化石墨的制备
        2.3.2 石墨烯负载铜或镍的制备
        2.3.3 石墨烯负载金属掺杂钨铜复合材料的制备
    2.4 显微组织结构的观察
        2.4.1 表面形貌观察
        2.4.2 相结构分析
        2.4.3 拉曼光谱和红外光谱分析
        2.4.4 透射电镜分析
    2.5 石墨烯负载金属增强钨/铜复合材料性能测试
        2.5.1 密度测试
        2.5.2 电导率测试
        2.5.3 硬度测试
3 石墨烯负载金属的表征
    3.1 SEM分析
    3.2 AFM分析
    3.3 XRD分析
    3.4 红外光谱分析
    3.5 拉曼光谱分析
    3.6 TEM分析
    3.7 石墨烯表面负载金属的机理
    3.8 本章小结
4 石墨烯负载铜掺杂钨铜复合材料
    4.1 Cu@graphene-WCu复合材料的显微组织结构
        4.1.1 显微组织分析
        4.1.2 XRD分析
        4.1.3 TEM分析
    4.2 Cu@graphene-WCu复合材料的性能测试结果与分析
        4.2.1 熔渗烧结制备Cu@graphene-WCu复合材料的性能测试结果与分析
        4.2.2 SPS烧结制备Cu@graphene-WCu复合材料的性能测试结果与分析
    4.3 石墨烯负载铜增强钨铜复合材料的形成机理分析
    4.4 本章小结
5 结论
致谢
参考文献
攻读硕士期间所发表的论文、专利和获奖

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本文编号：2838535