發(fā)布時(shí)間：2020-04-20 20:11

【摘要】：銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和加工性能,在航空航天、海洋工程、電子和汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而,銅塑性高而強(qiáng)度低的特點(diǎn)使其應(yīng)用受到一定的限制,采用傳統(tǒng)的添加碳纖維或碳納米管的方法能獲得較好的增強(qiáng)效果,有效保證其高導(dǎo)電導(dǎo)熱及耐磨等性能,但存在力學(xué)性能較差、制備比較困難等問題。因此,發(fā)展新型增強(qiáng)體對進(jìn)一步挖掘銅的應(yīng)用潛力具有重要意義。石墨烯具有超高強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,用于開發(fā)銅基復(fù)合材料具有顯著優(yōu)勢,但是石墨烯具有較大的比表面積使其在制備過程中易發(fā)生團(tuán)聚,在銅基體中實(shí)現(xiàn)均勻分散較困難,并且其與銅之間的潤濕性較差。本文利用鈦或鉻有利于改善銅與石墨烯之間的潤濕性的特點(diǎn),通過在銅/鈦或銅/鉻的混合粉體中引入石墨烯增強(qiáng)相,使用超聲分散和球磨法對粉體進(jìn)行均勻分散、混合,采用放電等離子燒結(jié)(SPS)的方法制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料,對制得的石墨烯銅基復(fù)合材料進(jìn)行組織和性能表征,結(jié)果表明:(1)經(jīng)超聲和球磨后的復(fù)合材料粉體呈扁平狀,石墨烯在銅粉中存在部分團(tuán)聚的現(xiàn)象,經(jīng)XRD分析混粉過程未發(fā)生氧化。(2)石墨烯增強(qiáng)銅/鈦復(fù)合材料中的銅基體發(fā)生再結(jié)晶并伴隨形成孿晶組織。隨著燒結(jié)溫度的升高,復(fù)合材料組織中晶粒尺寸總體上不斷增大,孔隙等缺陷則相應(yīng)有所減少。在750～900℃范圍內(nèi)升高溫度,復(fù)合材料的密度值和硬度值呈上升趨勢,而導(dǎo)電率逐漸下降。其中,在750℃的燒結(jié)溫度下,復(fù)合材料導(dǎo)電率最高,達(dá)到56.8%IACS;在900℃的燒結(jié)溫度下,復(fù)合材料的密度值為8.54 g/cm3,達(dá)到純銅(8.51 g/cm3)水平,而布氏硬度值達(dá)到66.4,較純銅(46.6)提高了 42.5%。(3)隨著燒結(jié)壓力增加,石墨烯增強(qiáng)銅/鈦復(fù)合材料中的銅基體的晶�？傮w上出現(xiàn)了較明顯的細(xì)化,有利于改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。在5MPa～30MPa范圍內(nèi)升高燒結(jié)壓力,復(fù)合材料密度從4.47g/cm3增加至8.54g/cm3,提高了 391.1%,布氏硬度從33.4HB增加至66.4HB,提高了 98.8%,導(dǎo)電率呈現(xiàn)先增加后下降的規(guī)律,在25MPa的燒結(jié)壓力下時(shí)導(dǎo)電率最大,為51.2%IACS。(4)在750～900℃范圍內(nèi)升高溫度,石墨烯增強(qiáng)銅/鉻復(fù)合材料的密度值和硬度值呈先上升后下降,又繼續(xù)上升的趨勢,而導(dǎo)電率先持平后逐漸下降。其中,燒結(jié)溫度在750℃到850℃之間變化時(shí),復(fù)合材料導(dǎo)電率始終處于50%IACS的水平?jīng)]有變化;在900℃的溫度下復(fù)合材料密度值達(dá)到最大值8.45g/cm3;在800℃時(shí)復(fù)合材料布氏硬度達(dá)到最大值54.8HB。另外,復(fù)合材料的金相組織隨燒結(jié)壓力的增加晶�？傮w上逐漸細(xì)化。當(dāng)燒結(jié)壓力從15MPa升高到35MPa時(shí),復(fù)合材料密度從7.84g/cm3增加至8.43g/cm3,提高了 7.53%,布氏硬度從43.4HB上升至57.3,提高了 32%,導(dǎo)電率呈現(xiàn)先下降后增加的規(guī)律,在35MPa的燒結(jié)壓力下時(shí)導(dǎo)電率最大,為44.5%IACS。(5)隨著石墨烯的添加量從0.1%增加至0.5%,石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的密度先升高后降低;石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的導(dǎo)電率從70.7%IACS下降至66.9%IACS,下降幅度較小;當(dāng)加入0.1%石墨烯時(shí),石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料硬度先上升后下降,石墨烯含量為0.3%時(shí)達(dá)到最大值51.4HB。銅/鈦復(fù)合材料密度隨石墨烯含量的變化也是先升高后降低。導(dǎo)電率則呈現(xiàn)先降低,后升高,最后又下降的趨勢。當(dāng)加入0.1wt%石墨烯時(shí),銅/鈦復(fù)合材料的導(dǎo)電率下降至55.3%IACS;當(dāng)石墨烯添加量為0.3wt%時(shí),其導(dǎo)電率小幅度上升至59.6%IACS;當(dāng)石墨烯添加量為0.5%時(shí),導(dǎo)電率略有下降至50.4%IACS。硬度隨石墨烯摻量的變化呈現(xiàn)與導(dǎo)電率相反的趨勢,并于添加量為0.5%時(shí)達(dá)到最大值63.7HB。銅/鉻復(fù)合材料密度隨石墨烯含量的變化也是先升高后降低。導(dǎo)電率則是隨添加量的增加不斷下降,當(dāng)加入石墨烯時(shí)從0增加至0.5%時(shí),導(dǎo)電率由66.6%IACS下降至41.3%IACS。硬度也是不斷下降,當(dāng)加入石墨烯時(shí)從0增加至0.5%時(shí),硬度由61.8HB下降至55HB。
【圖文】：

１．１引言逡逑石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）是一種碳原子通過ｓｐ２雜化軌道組成的六角型呈蜂窩狀逡逑結(jié)構(gòu)只有單原子層厚度的二維晶體材料（實(shí)物見圖１．１）。由英國曼徹斯特大學(xué)逡逑物理學(xué)家于２００４年在實(shí)驗(yàn)中首次成功分離［１］。石墨烯被稱為“工業(yè)味精”，與碳逡逑納米管類似，很難作為單一原料生產(chǎn)某種產(chǎn)品，而主要是利用其突出特性與其它逡逑材料進(jìn)行復(fù)合，從而制取具有優(yōu)異性能的新型復(fù)合材料。由于石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)，逡逑使其具備超強(qiáng)的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，這些優(yōu)良特性使得石墨烯成為制備金逡逑屬基復(fù)合材料較為理想的增強(qiáng)體之一。以石墨烯為增強(qiáng)體制備石墨烯／銅復(fù)合材逡逑料，為生產(chǎn)出滿足現(xiàn)代工業(yè)要求的高強(qiáng)、．高導(dǎo)、耐蝕銅基復(fù)合材料提供了新的途逡逑徑。逡逑銅作為一種傳統(tǒng)而又現(xiàn)代的重要金屬材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工逡逑程、電子和汽車等領(lǐng)域。近年來，隨著社會(huì)和科技的快速發(fā)展，對銅提出了更多逡逑更高的使用要求

積高達(dá)ＳＧＳＯｍＶｇＷ；室溫下電子遷移率達(dá)２００００邋ｃｍ２／（Ｖ＿ｓ），超過商用桂片的１０倍逡逑［３］；熱導(dǎo)率達(dá)５１５０Ｗ／（ｍ邋Ｋ），是金剛石的３倍石墨烯還具有高達(dá)１３０ＭＰａ逡逑的抗拉強(qiáng)度以及ｌ．0２ＴＰａ的彈性模量［５］；并且具有室溫量子霍爾效應(yīng)［６］。如圖１．２逡逑所示，石墨烯彎曲成籃球狀可得到零維的富勒烯，卷曲成柱狀可得到一維的碳納逡逑米管，緊密堆積形成普通石墨。石墨烯具有超大的比表面積，高縱橫比的二維幾逡逑何形狀，以及突出的機(jī)械性能，這使得其在納米填料復(fù)合材料方面具有優(yōu)異潛能。逡逑．ｒ，邋Ｊ．邋ｆ．邐ｓ．ｓ．邋：．ｉ．ｓ．ｔ．ｔ．ｓ．ｔ．ｉ邋ｉ．ｌ．ｔＡｉ逡逑－＊．邋■？．－邋＊－－＊ｉ－＊＊邋＊？邋？．邐？？一邐？／＊？一逡逑；邐本邐４逡逑Ｉ邐，

本文編號(hào)：2634917