銅-石墨烯復(fù)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(guó)科學(xué)家在2004年發(fā)現(xiàn)的碳基新結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)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(xué)、熱學(xué)以及機(jī)械性能，在材料領(lǐng)域前景廣泛。在復(fù)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(qiáng)體復(fù)合到材料中去。銅作為復(fù)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(fù)合材料之一。因此，開展銅基體石墨烯復(fù)

2、合材料研究，對(duì)獲取高品質(zhì)復(fù)合材料具有深遠(yuǎn)的意義。
　　文獻(xiàn)指出，目前的銅-石墨烯復(fù)合材料均是通過(guò)氧化石墨烯與銅復(fù)合后再經(jīng)熱處理還原得到的，其中，以粉末冶金和復(fù)合電沉積為主要復(fù)合方法。結(jié)果表明，復(fù)合材料的機(jī)械性能在加入石墨烯后有較高增益，但導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能并沒(méi)有明顯的提高。原因在于氧化石墨烯還原不充分致復(fù)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(fù)合材料必須攻克以上壁壘。
　　本文基于復(fù)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(fù)合材料制備工藝，實(shí)現(xiàn)了銅與還原石墨烯在電沉積工藝下的直接復(fù)合，避免了后期熱處理還原過(guò)程。首先，通過(guò)分散性實(shí)驗(yàn)，確定選擇由化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的優(yōu)質(zhì)單層石墨烯作為直接復(fù)合體材料，同時(shí)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(fù)合電沉積工藝，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)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(duì)復(fù)合層中的石墨烯的存在性進(jìn)行了判定，

4、借助掃描電鏡和透射電鏡分析表征了復(fù)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(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試用試樣，并完成了相關(guān)性能的測(cè)試分析。
　　實(shí)驗(yàn)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(fù)合層的導(dǎo)熱系數(shù)為515.5W/mK，高于冶金銅導(dǎo)熱系數(shù)（398 W/mK),也比電鍍純銅導(dǎo)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(shí)復(fù)合層的楊氏模量為81.0GPa，屈服強(qiáng)度為237.8MPa，斷裂強(qiáng)度為382.4MPa，相對(duì)于電鍍純銅，延伸率有所降低，但機(jī)械強(qiáng)度得到了一定的提高。在中性檸檬酸鍍銅體系中，通過(guò)復(fù)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(gè)數(shù)