石墨烯-銅復合材料的制備、組織及力學性能研究.pdf

1、石墨烯增強金屬基納米復合材料具有優(yōu)異的綜合性能，應用前景廣闊，但其研究仍處于起步階段，在形成規(guī)模應用之前仍存在許多問題需要解決。使石墨烯在基體中更均勻分散、提高石墨烯與基體間的界面結合并減小其結構損傷是石墨烯增強金屬基復合材料發(fā)展的關鍵。另外，石墨烯具有各向異性，可通過使其定向排列于基體之中進一步提高復合材料在某一方向上的綜合性能。
　　本文分別通過半粉末(Semi-powder)法和分子水平混合(MLM)法制備石墨烯/銅復合材料

2、，研究了化學表面改性對石墨烯納米片(GNPs)分散及兩相界面的影響，探討了不同種類的石墨烯材料（GNPs、鍍鎳石墨烯納米片Ni-GNPs、還原氧化石墨烯RGO）對復合材料顯微組織與結構、力學性能以及強化機制的影響，并對復合材料的界面進行了系統(tǒng)研究。此外，初步嘗試外加磁場法使Ni-GNPs在Cu基體中形成定向排列，研究了該定向增強復合材料的微觀組織及性能。主要結果如下：
　　1.利用半粉末法制備GNPs/Cu和改性GNPs/Cu復合

3、材料，直接添加GNPs時片層之間易直接接觸而吸附團聚，且兩相界面處存在明顯的孔洞和裂紋。改性后，表面Cu或Ni顆粒作為阻隔物，可防止GNPs層片直接接觸，抑制其團聚，提高了GNPs分散均勻程度，并改善了兩相界面結合。在0～1.0vol.％的范圍內(nèi)，復合材料的強度隨GNPs含量的增加不斷減小，隨改性GNPs的增多先增大后減小。Cu-GNPs/Cu和Ni-GNPs/Cu復合材料的抗拉強度分別在含量為0.5和0.7vol.%時達到最大值，為2

4、58和286MPa，高于相同含量的GNPs/Cu復合材料。Cu-GNPs和Ni-GNPs在基體Cu中以熱錯配和載荷傳遞強化為主，細晶強化為輔。
　　2.MLM法制備的復合材料中，不同種類的石墨烯材料均與Cu基體結合良好。GNPs和Ni-GNPs在<0.5vol.%時能夠較均勻地分散于基體晶界或晶粒內(nèi)部，含量提高后出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，RGO含量在0～1.0vol.%之間均可均勻分散。低含量時GNPs和Ni-GNPs對基體Cu起到的強

5、化效果優(yōu)于RGO，隨著含量增加GNPs類材料的強化作用降低，至0.5vol.%左右開始弱于RGO。含量低時，均勻分散的GNPs以熱錯配和載荷傳遞強化為主；GNPs發(fā)生團聚后，強化效果低于以Orowan和載荷傳遞機制為主的RGO。
　　3.不同預還原RGO材料對Cu基體的強化效果呈現(xiàn)差異性：RGOHCl和RGONaOH提高材料強度的同時還提高了其伸長率，而RGON2H6O僅大幅提高強度。分析認為，RGOHCl和RGONaOH表面均具

6、有許多褶皺和環(huán)氧基C-O-C，當具有良好的界面結合時，基體受力變形，載荷將由基體向石墨烯傳遞，褶皺鋪展，C-O-C彎曲，對復合材料產(chǎn)生額外的屈服效應，提高了伸長率。而RGON2H6O碎片多，褶皺少，無C-O-C，在顯著提高強度的同時降低了伸長率。
　　4.指出了石墨烯增強復合材料中存在石墨烯平面(Dp)和石墨烯邊緣(De)與基體結合的兩個方向上的界面。MLM法制備的復合材料中的Dp和De方向上，GNPs/Cu復合材料界面分別為機械

7、結合和冶金結合；Ni-GNPs/Cu復合材料界面則分別為浸潤結合和浸潤/擴散的化學結合；不同RGO/Cu復合材料中均為冶金結合/氧中間鍵結合的混合型界面。
　　5.初步實現(xiàn)了Ni-GNPs在基體Cu中的定向排列，一定程度上提高了復合材料的強度。定向處理的Ni-GNPs/Cu復合材料同時還具有較好的導電導熱性能，Ni-GNPs含量為0.2vol.%時，復合材料導電率E∥約111.08%IACS，熱導率T∥約370.31W/mk，分別