基于粉末冶金方法制備石墨烯-銅粉復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、銅有著非常好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和優(yōu)良的延展性，但是銅在高溫下易變形而且易磨損的特點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。材料復(fù)合化是增強(qiáng)銅基體強(qiáng)度非常好的方法。增強(qiáng)基體的關(guān)鍵是如何限制銅晶粒內(nèi)部的位錯滑移?；魻?佩奇關(guān)系公式表明晶粒的減小和強(qiáng)度增加的關(guān)系，本文采用銅納米粉做為原材料，用石墨烯做為增強(qiáng)體。石墨烯作為一種二維材料有著非常高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，石墨烯是目前已知強(qiáng)度最高和電阻率最低的材料，其本征強(qiáng)度為130GPa，楊氏模量達(dá)到了1TPa，而且其載流子遷移

2、率為15,000cm2V-1S-1，這使得它成為非常理想的增強(qiáng)體。石墨烯的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性，優(yōu)異的力學(xué)性能讓石墨烯成了提高銅基體綜合性能潛在的候選增強(qiáng)體，但是目前報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)大部分用還原氧化石墨烯作為增強(qiáng)體，眾所周知，還原氧化石墨烯由于含有大量的官能團(tuán)，其本身的力學(xué)強(qiáng)度和電學(xué)性能大大低于原始石墨烯，因此作為增強(qiáng)體得到的復(fù)合材料性能大打折扣。另一個面臨的問題石墨烯在金屬基體中不易分散，由于石墨烯非常容易團(tuán)聚，如何較好地分散石墨烯成為提升基體

3、性能的關(guān)鍵。
　　基于目前文獻(xiàn)報(bào)道的相關(guān)結(jié)果和所面臨的問題，本文采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在銅粉上直接生長高質(zhì)量的石墨烯，并用拉曼光譜、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段對石墨烯/銅粉復(fù)合材料和腐蝕掉銅粉后的石墨烯進(jìn)行表征。最后我們采用粉末冶金方法將生長石墨烯后的銅粉進(jìn)行高壓燒結(jié)，得到石墨烯/銅塊體復(fù)合材料，并測試了復(fù)合材料的維式硬度、電阻率、耐摩擦磨損性能和耐腐蝕性能。具體得出以下

4、結(jié)論：
　?。?）我們采用氧化鎂做為隔離劑，在1050℃下在銅粉表面生長了石墨烯，拉曼光譜顯示石墨烯為多層高質(zhì)量的石墨烯。SEM圖像和元素分析表明石墨烯可以有效地保護(hù)純銅表面不被氧化，這是由于石墨烯具有離子非滲透性。TEM顯示石墨烯為5層以上，這是第一次在純銅上生長如此厚度均勻的石墨烯，我們認(rèn)為這是由于石墨烯生長自限制在幾百納米尺度，C原子及甲烷裂解的中間產(chǎn)物可以源源不斷地接觸到純銅表面生長石墨烯。
　　（2）測得銅/石墨烯

5、復(fù)合材料的維式硬度為2.53GPa，為純銅樣品的2.5倍，導(dǎo)電性與純銅沒有明顯區(qū)別。我們認(rèn)為這是由于石墨烯超高的剪切模量阻止了銅位錯滑移。高質(zhì)量的石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，作為增強(qiáng)體并沒有減弱銅基體的電導(dǎo)率。
　?。?）以合金鋼為摩擦副，測得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.2，2.8×10-5mm3/N．m純銅的摩擦系數(shù)為0.35，379.4×10-5mm3/N．m。復(fù)合材料較純銅相比，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了57％和兩個數(shù)量