石墨烯增强铜基复合材料的研究进展

石墨烯具有超高的比表面积和优异的力学性能, 是铜基复合材料理想的增强体。传统的粉末冶金工艺很难解决石墨烯在铜基体中的分散问题, 以及石墨烯与铜基体结合性差的难题。随着近些年研究者对石墨烯-铜界面问题深入的探索, 一些新的制备工艺不断出现。本文系统地介绍和对比了近几年石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺, 概述了关于石墨烯/铜复合材料力学性能的研究进展, 总结了石墨烯增强铜基复合材料力学性能的机理, 并对未来石墨烯增强铜基复合材料的研究重点进行了展望。     

石墨烯增强铜基复合材料研究进展

石墨烯是一种新兴的二维碳纳米材料,具有良好的力学、导电以及润滑性能,是铜基复合材料中最具潜力的增强体.本文综述了石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺,详细分析并归纳了石墨烯增强铜基复合材料的界面结构对于复合材料力学性能的影响及增强机制,总结了石墨烯增强铜基复合材料摩擦学行为研究的最新进展,并深入阐述了石墨烯增强铜基复合材料的润滑耐磨机制,最后,展望了石墨烯增强铜基复合材料的发展前景.     

石墨烯增强铜基复合材料的研究进展

综述了石墨烯/铜复合材料的球磨、液相混合和分子水平混合等制备方法及其力学、导电和导热等性能,总结了存在的主要问题;概述了层状仿生石墨烯/铜基复合材料的制备方法及性能,并展望了石墨烯/铜复合材料的研究方向及应用前景.     

石墨烯/铜复合材料的制备及其性能与应用

石墨烯具有特殊的二维平面蜂窝状结构和优异的性能,是理想的金属复合材料的增强体。粉末冶金法作为制备石墨烯/铜复合材料的传统的方法,面临着石墨烯难以分散以及与金属基底结合差等困境,尽管该法可有效提高复合材料力学性能,但也降低了其导热导电性能。随着人们对石墨烯/铜的结构与界面问题的深入研究,一些新的粉体制备工艺如原位生长法制备出了优异性能铜基复合材料,这将有助于开发出优异性能的铜基电接触材料。从石墨烯/铜复合材料的制备工艺(化学气相沉积法、机械混合以及原位生长石墨烯等)、性能(机械性能、导热性能以及抗氧化和防腐蚀性能等)及其在电接触材料的应用和石墨烯/铜的未来发展趋势等方面进行阐述。     

石墨烯/铜复合材料的制备及其性能与应用

石墨烯具有特殊的二维平面蜂窝状结构和优异的性能,是理想的金属复合材料的增强体。粉末冶金法作为制备石墨烯/铜复合材料的传统的方法,面临着石墨烯难以分散以及与金属基底结合差等困境,尽管该法可有效提高复合材料力学性能,但也降低了其导热导电性能。随着人们对石墨烯/铜的结构与界面问题的深入研究,一些新的粉体制备工艺如原位生长法制备出了优异性能铜基复合材料,这将有助于开发出优异性能的铜基电接触材料。从石墨烯/铜复合材料的制备工艺(化学气相沉积法、机械混合以及原位生长石墨烯等)、性能(机械性能、导热性能以及抗氧化和防腐蚀性能等)及其在电接触材料的应用和石墨烯/铜的未来发展趋势等方面进行阐述。     

石墨烯含量对铜基复合材料的导电、导热、耐腐蚀和力学性能的影响（英文）

采用电场压力激活辅助合成工艺(Field activated and pressure assisted synthesis process (FAPAS))制备铜基石墨烯复合材料,研究不同的石墨烯含量对铜基体材料的微观结构和性能的影响机理。结果表明,石墨烯的添加能提高材料的位错密度、阻止位错在晶界移动,硬度提升17.6%;由于石墨烯添加量少,对铜基复合材料的位错密度和晶粒尺寸影响有限,片状的石墨烯能有效地弥补制备产生的缺陷,使材料的热导率和电导率分别提升2.9%和4.4%;石墨烯的添加使腐蚀电池两极间的电位差减小,降低了铜离子在氧化膜中的扩散能力,使复合材料的阻抗提升5.3%,腐蚀电流密度下降28.2%,有效地提升了铜基复合材料的耐腐蚀性能。铜基石墨烯复合材料的石墨烯最佳添加量为0.5 wt.%。     

氧化石墨烯/铜基复合材料的微观结构及力学性能

采用球磨和真空热压烧结方法成功制备氧化石墨烯/铜复合材料。利用OM,SEM,XRD,显微硬度计和电子万能试验机等分析球磨后的复合粉形貌,研究氧化石墨烯添加量对复合微观结构及力学性能的影响。结果表明:制备的氧化石墨烯/铜基复合材料组织致密,氧化石墨烯以片状形态较均匀地分布在铜基体中,并与铜基体形成良好的结合界面。氧化石墨烯质量分数为0.5%时,复合材料的综合力学性能较好,显微硬度和室温压缩强度分别为63HV和276MPa,相对于纯铜基体分别提高了8.6%和28%。其强化机理为剪切应力转移强化、位错强化和细晶强化。     

石墨烯增强铜基复合材料研究进展

铜(Cu)基复合材料具有优异的力学、热学、电学及耐磨和耐腐蚀等性能,广泛应用于各种工业技术领域。石墨烯(Graphene,Gr)具有二维平面结构和优异的综合性能,是金属基复合材料理想的增强相。石墨烯增强铜基复合材料拓展了铜及其合金的应用范围,适当的制备方法可以使其在保持优异导电导热性能的同时拥有更好的力学性能。石墨烯在铜基体中的存在形式主要以还原氧化石墨烯、石墨烯纳米片或与金属氧化物/碳化物纳米颗粒连接,旨在增强两者之间的界面结合。因此,石墨烯在铜基体中的结构完整性及存在形式直接影响了其性能的优劣。本文综述了Cu/Gr复合材料的制备及模拟方法、复合材料的性能评价及力学性能与功能特性的相互影响规律。指明Cu/Gr复合材料的发展关键在于：(1)分散性与界面结合;(2)三维石墨烯结构的构建;(3)界面结合对力学性能与功能特性的影响及两者间的相互协调。     

石墨烯增强铜基复合材料的界面调控及其性能研究进展

铜基复合材料有望全面提升铜及铜合金的力学性能和导电、导热等功能特性。石墨烯具有优异的力学和物理性能,是铜基复合材料的理想增强相。石墨烯/铜界面的性质决定了复合材料性能,进行界面调控以提高石墨烯/铜的界面结合性已成为研究人员关注的热点问题。总结了近几年开发的石墨烯缺陷设计法、碳-碳杂化增强相法、金属和陶瓷纳米颗粒修饰石墨烯法以及原位生长石墨烯和石墨烯复合增强相法等多种界面调控策略,讨论了多种界面调控策略对石墨烯增强铜基复合材料的力学、导电、导热性能的作用机理,展望了应用界面调控策略研发的高性能复合材料的应用前景和未来研发的发展方向。     

石墨烯含量对铜基石墨烯复合材料力学和电学性能的影响

为改进铜基复合材料的力学和电学性能,向铜基体分别加入0.2%、0.3%、0.4%(质量分数)的石墨烯,充分混合后,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备了石墨烯/铜(G/Cu)复合材料。通过扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱和XRD等表征了复合材料微观结构,测试了其硬度、屈服强度、抗压强度和导电率等性能,以确定石墨烯在铜基体中的合适掺杂量。结果表明:随着石墨烯含量的降低,其力电性能显著提高。当石墨烯质量分数为0.2%时,G/Cu复合材料的综合性能(力学及电学性能)达到最好匹配,实现了铜基材料的高强度、高导电性:其抗压强度和屈服强度分别为557.23 MPa和256 MPa,相对于用SPS方法制备的纯铜分别提高了59.21%和70.7%;电导率为52.3 MS/m,其IACS高达91.8%。