石墨烯-銅復合粉體的制備及其復合材料的組織與性能.pdf

1、銅是人類生產生活中最重要的金屬之一，具有優(yōu)異的導電性、導熱性和機械加工性能，但由于銅的力學性能較差，限制了它在更多領域的應用。石墨烯具有卓越的機械性能、良好的導電性能和導熱性能，被視為優(yōu)良的金屬基復合材料的增強體。因此，自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，便在世界范圍受到廣泛關注和深入研究。石墨烯增強銅基復合材料有望應用于包括電接觸材料、電子封裝材料等領域，具有誘人的發(fā)展前景。但由于石墨烯在銅基體中的分散性能較差，限制了石墨烯/銅基復合材料

2、的制備和生產。本文選擇石墨烯作為增強體，采用多種制備工藝制備石墨烯/銅基復合粉體，研究不同工藝對石墨烯在銅基復合材料中分散性的影響。復合粉體被燒結成復合材料，研究各種制備工藝對復合材料結構和性能的影響，并對增強機理進行探索研究。
　　使用低能球磨工藝制備石墨烯/銅基復合粉體，研究不同球磨速率和球磨時間對復合粉體和復合材料結構和性能的影響。結果顯示，采用100轉/分鐘的球磨速度球磨4小時獲得的復合粉體中的石墨烯缺陷較少，該復合粉體燒

3、結的復合材料的屈服強度為378MPa，電導率為70.4％IACS。
　　使用分子級混合法(MLM法)和引入高剪切剝離作用的分子級混合法(M-H法)制備出不同體積分數(shù)的石墨烯/銅基復合材料。研究結果表明，與MLM法相比，M-H法能有效的減少石墨烯在復合粉體中的團聚，從而獲得更好的力學性能。采用M-H法制備的石墨烯體積分數(shù)為2.4%的復合材料的壓縮屈服強度為501MPa，超過純銅屈服強度(150MPa)的3倍。采用M-H法制備的石墨烯

4、體積分數(shù)為0.6%的復合材料的表觀增強系數(shù)為322，顯示石墨烯作為增強體制備石墨烯增強銅基復合材料具有優(yōu)異的增強效果。
　　使用石墨粉、亞微米銅粉和納米銅粉作為基體原料，采用顆粒輔助剝離法制備石墨烯/銅基復合粉體，研究表明，具有合適的表面能和較高粘度的1,3-丁二醇比1,3-丙二醇和乙醇能更有效剝離石墨，是合適的顆粒輔助剝離法制備石墨烯/銅基復合粉體溶劑。石墨烯的厚度主要分布在5-10納米，說明顆粒輔助剝離法能有效將石墨原料剝離成

5、石墨烯。
　　對顆粒輔助剝離法制備的石墨烯/銅基復合材料的微觀形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯存在于亞微米銅晶粒晶界處，這種結構能有效阻礙銅晶粒長大，同時晶界處的石墨烯能有效阻礙晶體內的位錯運動，增強復合材料力學性能。部分石墨烯在放電等離子燒結過程中經過溶解-析出機制轉化成石墨烯薄膜和碳顆粒，分別出現(xiàn)在晶界和三叉晶界處，這些石墨烯薄膜和碳顆粒與銅基體結合較好。顆粒輔助剝離法制備的石墨烯/銅基復合材料獲得了優(yōu)異的力學性能，體積分數(shù)為2.5%

6、的石墨烯/銅基復合材料的壓縮屈服強度為494MPa，軋制后的復合材料拉伸強度為388MPa，超過文獻報道的同體積分數(shù)的碳納米管增強銅基復合材料。
　　使用石墨顆粒輔助剝離法制備的石墨烯作為增強體，銅顆粒作為基體，使用石墨烯顆粒輔助分散法制備石墨烯/銅基復合材料。對石墨烯/銅復合粉體的結構分析顯示，石墨烯包覆在銅顆粒表面，石墨厚度較薄，分散程度較好。石墨烯體積分數(shù)為0.42%的石墨烯/銅基復合材料的屈服強度為381MPa，表觀增強系