隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對銅及銅合金的性能提出更高的要求,例如集成電路引線框架以及插拔電接觸材料要求大于600MPa的強(qiáng)度并兼具良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力,在這些領(lǐng)域材料的力學(xué)性能成為主要因素,而目前非連續(xù)片層石墨烯/銅復(fù)合材料的強(qiáng)度通常在300-400 MPa之間,離實(shí)用要求還有很大的距離,亟待提高。本文以集成電路引線框架和插拔電接觸材料領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用背景,旨在提高非連續(xù)片層石墨烯/銅復(fù)合材料的力學(xué)性能,同時獲得良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,為該類材料的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。本文提出了分子級混合-自組裝法和原位生長-復(fù)合法兩種解決方案,希望能夠通過構(gòu)建層狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對石墨烯/銅復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性的提高。為了獲得強(qiáng)度高、綜合性能好的石墨烯/銅復(fù)合材料,基于傳統(tǒng)的分子級混合和自組裝方法,本文開發(fā)出一種具有多級層狀結(jié)構(gòu)石墨烯/銅復(fù)合材料的制備方法。該方法中的石墨烯是通過自上而下途徑制得的還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide,RGO）。研究發(fā)現(xiàn),分子級混合過程中p H值為13.6、溫度為20℃的條件下,復(fù)合粉體能夠通過自組裝形成多級層狀結(jié)構(gòu)。另外,石墨烯的體積分?jǐn)?shù)和片徑對復(fù)合材... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：138 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

自下而上法和自上而下法合成石墨烯示意圖[20]

溶劑輔助剝離法雖然與傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法相比，其制備效率有所提高，但是仍然難以滿足實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。氧化還原法具有成本低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的制備石墨烯的方法。具體是先將氧化石墨剝離成氧化石墨烯，再對氧化石墨烯進(jìn)行還原得到還原氧化石墨烯。Ruoff等人[22]采用水合肼作為還原劑，成功制備出還原氧化石墨烯。但是水合肼的毒性較大，并且該方法得到的石墨烯水溶液中很容易發(fā)生團(tuán)聚。針對以上兩點(diǎn)，Zhang等人[23]提出用強(qiáng)堿溶液代替了水合肼，在溫和加熱的條件下獲得了能夠穩(wěn)定分散的石墨烯懸濁液，如圖1-2所示。雖然氧化還原法能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的大批量生產(chǎn)，但是還原過程不可避免會對石墨烯的結(jié)構(gòu)造成破壞，從而影響石墨烯的導(dǎo)電性能。圖1-2氧化石墨烯還原過程示意圖和還原前后照片[23]Fig.1-2IllustrationandimagesforthedeoxygenationofGO:(a)illustrationforthedeoxygenationofexfoliatedGOunderalkalineconditionsand(b)imagesoftheexfoliated-GOsuspensionbeforeandafterreaction[23].化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition,CVD)是指含碳?xì)怏w在高溫條件下發(fā)生裂解，從而在過渡金屬基底上生長石墨烯薄膜的過程。Ruoff等人以CH4為碳源，在銅箔上制備出厘米級的單層石墨烯[24]；而后基于碳在不同金屬中溶解度的差異，他們提出兩種化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯的機(jī)理[25]。一種機(jī)理是碳先溶解于金屬中，而后在金屬表面析出長大，如圖1-3(a)所示。另一種機(jī)理是在基底表面吸附碳直接生長石墨烯，如圖1-3(b)所示。Sun等人[26]進(jìn)一步將碳源拓展到固體范疇，在800°C條件以及銅箔的催化作用下將聚甲基丙

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-4-烯酸甲酯(PMMA)轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的石墨烯，如圖1-4所示。圖1-3化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的機(jī)理示意圖[25]Fig.1-3SchematicdiagramsofCisotopesingraphenefilmsbasedondifferentgrowthmechanisms:(a)graphenewithrandomlymixedisotopessuchasmightoccurfromsurfacesegregationand/orprecipitationand(b)graphenewithseparatedisotopessuchasmightoccurbysurfaceadsorption[25].圖1-4采用固體碳源制備石墨烯的示意圖[26]Fig.1-4SchematicdiagramofgraphenederivedfromsolidPMMAfilmsonCusubstrates[26].晶體外延生長法是指在高溫條件下碳化硅晶體中的硅率先揮發(fā)，余下的碳原子發(fā)生重構(gòu)而形成石墨烯的過程[27]。該方法通常需要極高的溫度（超過1000°C）和真空度才能制備出質(zhì)量較高的石墨烯[28-30]，因此對設(shè)備的要求非常嚴(yán)格，不利于大規(guī)模生產(chǎn)�？偟膩碚f，無論是通過自上而下法還是自下而上法，制備得到的石墨烯均


本文編號：3244029