石墨烯-銅復(fù)合材料的制備、組織及力學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯增強金屬基納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，應(yīng)用前景廣闊，但其研究仍處于起步階段，在形成規(guī)模應(yīng)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(jié)合并減小其結(jié)構(gòu)損傷是石墨烯增強金屬基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)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(fù)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(fù)合材料

2、，研究了化學(xué)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(fù)合材料顯微組織與結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及強化機制的影響，并對復(fù)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(fù)合材料的微觀組織及性能。主要結(jié)果如下：
　　1.利用半粉末法制備GNPs/Cu和改性GNPs/Cu復(fù)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(jié)合。在0～1.0vol.％的范圍內(nèi)，復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料中，不同種類的石墨烯材料均與Cu基體結(jié)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O(shè)rowan和載荷傳遞機制為主的RGO。
　　3.不同預(yù)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(rèn)為，RGOHCl和RGONaOH表面均具

6、有許多褶皺和環(huán)氧基C-O-C，當(dāng)具有良好的界面結(jié)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(fù)合材料產(chǎn)生額外的屈服效應(yīng)，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(fù)合材料中存在石墨烯平面(Dp)和石墨烯邊緣(De)與基體結(jié)合的兩個方向上的界面。MLM法制備的復(fù)合材料中的Dp和De方向上，GNPs/Cu復(fù)合材料界面分別為機械

7、結(jié)合和冶金結(jié)合；Ni-GNPs/Cu復(fù)合材料界面則分別為浸潤結(jié)合和浸潤/擴散的化學(xué)結(jié)合；不同RGO/Cu復(fù)合材料中均為冶金結(jié)合/氧中間鍵結(jié)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(fù)合材料的強度。定向處理的Ni-GNPs/Cu復(fù)合材料同時還具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，Ni-GNPs含量為0.2vol.%時，復(fù)合材料導(dǎo)電率E∥約111.08%IACS，熱導(dǎo)率T∥約370.31W/mk，分別