石墨烯/铜微观层状复合材料的制备与性能

发布时间：2021-06-23 02:25

　　随着现代科学技术和高科技产业的发展,对铜及铜合金的性能提出更高的要求,例如集成电路引线框架以及插拔电接触材料要求大于600MPa的强度并兼具良好导电、导热能力,在这些领域材料的力学性能成为主要因素,而目前非连续片层石墨烯/铜复合材料的强度通常在300-400 MPa之间,离实用要求还有很大的距离,亟待提高。本文以集成电路引线框架和插拔电接触材料领域为应用背景,旨在提高非连续片层石墨烯/铜复合材料的力学性能,同时获得良好的导电和导热性能,为该类材料的实际应用提供技术支撑。本文提出了分子级混合-自组装法和原位生长-复合法两种解决方案,希望能够通过构建层状结构实现对石墨烯/铜复合材料强度和韧性的提高。为了获得强度高、综合性能好的石墨烯/铜复合材料,基于传统的分子级混合和自组装方法,本文开发出一种具有多级层状结构石墨烯/铜复合材料的制备方法。该方法中的石墨烯是通过自上而下途径制得的还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide,RGO）。研究发现,分子级混合过程中p H值为13.6、温度为20℃的条件下,复合粉体能够通过自组装形成多级层状结构。另外,石墨烯的体积分数和片径对复合材... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：博士

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自下而上法和自上而下法合成石墨烯示意图[20]

溶剂辅助剥离法虽然与传统的机械剥离法相比，其制备效率有所提高，但是仍然难以满足实际的生产应用。氧化还原法具有成本低，效率高等优点，是目前应用最广泛的制备石墨烯的方法。具体是先将氧化石墨剥离成氧化石墨烯，再对氧化石墨烯进行还原得到还原氧化石墨烯。Ruoff等人[22]采用水合肼作为还原剂，成功制备出还原氧化石墨烯。但是水合肼的毒性较大，并且该方法得到的石墨烯水溶液中很容易发生团聚。针对以上两点，Zhang等人[23]提出用强碱溶液代替了水合肼，在温和加热的条件下获得了能够稳定分散的石墨烯悬浊液，如图1-2所示。虽然氧化还原法能够实现石墨烯的大批量生产，但是还原过程不可避免会对石墨烯的结构造成破坏，从而影响石墨烯的导电性能。图1-2氧化石墨烯还原过程示意图和还原前后照片[23]Fig.1-2IllustrationandimagesforthedeoxygenationofGO:(a)illustrationforthedeoxygenationofexfoliatedGOunderalkalineconditionsand(b)imagesoftheexfoliated-GOsuspensionbeforeandafterreaction[23].化学气相沉积法(chemicalvapordeposition,CVD)是指含碳气体在高温条件下发生裂解，从而在过渡金属基底上生长石墨烯薄膜的过程。Ruoff等人以CH4为碳源，在铜箔上制备出厘米级的单层石墨烯[24]；而后基于碳在不同金属中溶解度的差异，他们提出两种化学气相沉积法生长石墨烯的机理[25]。一种机理是碳先溶解于金属中，而后在金属表面析出长大，如图1-3(a)所示。另一种机理是在基底表面吸附碳直接生长石墨烯，如图1-3(b)所示。Sun等人[26]进一步将碳源拓展到固体范畴，在800°C条件以及铜箔的催化作用下将聚甲基丙

哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-烯酸甲酯(PMMA)转化为高质量的石墨烯，如图1-4所示。图1-3化学气相沉积法制备石墨烯的机理示意图[25]Fig.1-3SchematicdiagramsofCisotopesingraphenefilmsbasedondifferentgrowthmechanisms:(a)graphenewithrandomlymixedisotopessuchasmightoccurfromsurfacesegregationand/orprecipitationand(b)graphenewithseparatedisotopessuchasmightoccurbysurfaceadsorption[25].图1-4采用固体碳源制备石墨烯的示意图[26]Fig.1-4SchematicdiagramofgraphenederivedfromsolidPMMAfilmsonCusubstrates[26].晶体外延生长法是指在高温条件下碳化硅晶体中的硅率先挥发，余下的碳原子发生重构而形成石墨烯的过程[27]。该方法通常需要极高的温度（超过1000°C）和真空度才能制备出质量较高的石墨烯[28-30]，因此对设备的要求非常严格，不利于大规模生产。总的来说，无论是通过自上而下法还是自下而上法，制备得到的石墨烯均


本文编号：3244029