石墨烯-銅復(fù)合粉體的制備及其復(fù)合材料的組織與性能.pdf

1、銅是人類生產(chǎn)生活中最重要的金屬之一，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械加工性能，但由于銅的力學(xué)性能較差，限制了它在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。石墨烯具有卓越的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，被視為優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。因此，自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，便在世界范圍受到廣泛關(guān)注和深入研究。石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料有望應(yīng)用于包括電接觸材料、電子封裝材料等領(lǐng)域，具有誘人的發(fā)展前景。但由于石墨烯在銅基體中的分散性能較差，限制了石墨烯/銅基復(fù)合材料

2、的制備和生產(chǎn)。本文選擇石墨烯作為增強(qiáng)體，采用多種制備工藝制備石墨烯/銅基復(fù)合粉體，研究不同工藝對(duì)石墨烯在銅基復(fù)合材料中分散性的影響。復(fù)合粉體被燒結(jié)成復(fù)合材料，研究各種制備工藝對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，并對(duì)增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行探索研究。
　　使用低能球磨工藝制備石墨烯/銅基復(fù)合粉體，研究不同球磨速率和球磨時(shí)間對(duì)復(fù)合粉體和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果顯示，采用100轉(zhuǎn)/分鐘的球磨速度球磨4小時(shí)獲得的復(fù)合粉體中的石墨烯缺陷較少，該復(fù)合粉體燒

3、結(jié)的復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為378MPa，電導(dǎo)率為70.4％IACS。
　　使用分子級(jí)混合法(MLM法)和引入高剪切剝離作用的分子級(jí)混合法(M-H法)制備出不同體積分?jǐn)?shù)的石墨烯/銅基復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，與MLM法相比，M-H法能有效的減少石墨烯在復(fù)合粉體中的團(tuán)聚，從而獲得更好的力學(xué)性能。采用M-H法制備的石墨烯體積分?jǐn)?shù)為2.4%的復(fù)合材料的壓縮屈服強(qiáng)度為501MPa，超過純銅屈服強(qiáng)度(150MPa)的3倍。采用M-H法制備的石墨烯

4、體積分?jǐn)?shù)為0.6%的復(fù)合材料的表觀增強(qiáng)系數(shù)為322，顯示石墨烯作為增強(qiáng)體制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有優(yōu)異的增強(qiáng)效果。
　　使用石墨粉、亞微米銅粉和納米銅粉作為基體原料，采用顆粒輔助剝離法制備石墨烯/銅基復(fù)合粉體，研究表明，具有合適的表面能和較高粘度的1,3-丁二醇比1,3-丙二醇和乙醇能更有效剝離石墨，是合適的顆粒輔助剝離法制備石墨烯/銅基復(fù)合粉體溶劑。石墨烯的厚度主要分布在5-10納米，說明顆粒輔助剝離法能有效將石墨原料剝離成

5、石墨烯。
　　對(duì)顆粒輔助剝離法制備的石墨烯/銅基復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯存在于亞微米銅晶粒晶界處，這種結(jié)構(gòu)能有效阻礙銅晶粒長大，同時(shí)晶界處的石墨烯能有效阻礙晶體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能。部分石墨烯在放電等離子燒結(jié)過程中經(jīng)過溶解-析出機(jī)制轉(zhuǎn)化成石墨烯薄膜和碳顆粒，分別出現(xiàn)在晶界和三叉晶界處，這些石墨烯薄膜和碳顆粒與銅基體結(jié)合較好。顆粒輔助剝離法制備的石墨烯/銅基復(fù)合材料獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能，體積分?jǐn)?shù)為2.5%

6、的石墨烯/銅基復(fù)合材料的壓縮屈服強(qiáng)度為494MPa，軋制后的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為388MPa，超過文獻(xiàn)報(bào)道的同體積分?jǐn)?shù)的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
　　使用石墨顆粒輔助剝離法制備的石墨烯作為增強(qiáng)體，銅顆粒作為基體，使用石墨烯顆粒輔助分散法制備石墨烯/銅基復(fù)合材料。對(duì)石墨烯/銅復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)分析顯示，石墨烯包覆在銅顆粒表面，石墨厚度較薄，分散程度較好。石墨烯體積分?jǐn)?shù)為0.42%的石墨烯/銅基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為381MPa，表觀增強(qiáng)系