銅-石墨烯復合電沉積工藝與性能研究.pdf

1、石墨烯——二維碳原子晶體，是由英國科學家在2004年發(fā)現(xiàn)的碳基新結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)彌補了碳基體系在二維結(jié)構(gòu)上的空白，并掀起了石墨烯研究的熱潮。單層石墨烯由碳原子構(gòu)成的六角形蜂巢結(jié)構(gòu)組成，因此擁有極其出色的電學、熱學以及機械性能，在材料領(lǐng)域前景廣泛。在復合材料中，石墨烯的出現(xiàn)也引起了極高的關(guān)注，研究者紛紛在嘗試如何能將石墨烯作為增強體復合到材料中去。銅作為復合材料基體在近幾年發(fā)展迅速，已成為現(xiàn)今研究的熱門復合材料之一。因此，開展銅基體石墨烯復

2、合材料研究，對獲取高品質(zhì)復合材料具有深遠的意義。
　　文獻指出，目前的銅-石墨烯復合材料均是通過氧化石墨烯與銅復合后再經(jīng)熱處理還原得到的，其中，以粉末冶金和復合電沉積為主要復合方法。結(jié)果表明，復合材料的機械性能在加入石墨烯后有較高增益，但導熱和導電性能并沒有明顯的提高。原因在于氧化石墨烯還原不充分致復合材料中存在缺陷，以及氧化石墨烯本身的缺陷。為此，獲取高性能銅-石墨烯復合材料必須攻克以上壁壘。
　　本文基于復合電沉積工藝，

3、分別提出了硫酸銅鍍銅體系和檸檬酸銅鍍銅體系兩種銅-石墨烯復合材料制備工藝，實現(xiàn)了銅與還原石墨烯在電沉積工藝下的直接復合，避免了后期熱處理還原過程。首先，通過分散性實驗，確定選擇由化學氣相沉積技術(shù)制備的優(yōu)質(zhì)單層石墨烯作為直接復合體材料，同時確定相關(guān)表面活性劑的配比。然后，系統(tǒng)開展了銅-石墨烯復合電沉積工藝，優(yōu)化實驗研究，主要包括：電沉積方式、攪拌方式、石墨烯含量等。在完成樣品制備的基礎(chǔ)上，采用拉曼光譜對復合層中的石墨烯的存在性進行了判定，

4、借助掃描電鏡和透射電鏡分析表征了復合鍍層的微觀形貌和結(jié)構(gòu)。最后，利用微加工手段，制備出供導電、導熱和機械強度測試用試樣，并完成了相關(guān)性能的測試分析。
　　實驗結(jié)果表明，在硫酸銅體系中，脈沖電源配合超聲攪拌能夠在高濃度下制備出含石墨烯的致密鍍層。復合層的導熱系數(shù)為515.5W/mK，高于冶金銅導熱系數(shù)（398 W/mK),也比電鍍純銅導熱系數(shù)（245.4 W/mK）高出110%。電阻率為1.66x10-8Ωm，低于電鍍純銅的1.75

5、x10-8Ωm。同時復合層的楊氏模量為81.0GPa，屈服強度為237.8MPa，斷裂強度為382.4MPa，相對于電鍍純銅，延伸率有所降低，但機械強度得到了一定的提高。在中性檸檬酸鍍銅體系中，通過復合電沉積條件的探究，得到能夠制備出含石墨烯且鍍層平整的脈沖電鍍條件（J=2mA/cm2，ton/toff=0.1ms/0.9ms）。該鍍層的電阻率為6.54x10-8Ωm，比相同條件下電鍍純銅的電阻率(8.46 x10-7Ωm)降低了一個數(shù)