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

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。     

石墨烯负载铜增强铜基块体复合材料的制备及其性能

石墨烯具有独特的二维结构及性能已成为金属基复合材料制备过程中理想的增强相备选材料之一。而铜因具有良好的导热性、导电性和化学稳定性已被广泛应用到电子产品中,但其存在机械强度低、硬度低等缺点成为其应用亟需解决的瓶颈问题。目前,将石墨烯和铜基材料进行结合,虽然在一定程度上可以改善铜基材料的的综合性能。但由于石墨烯易产生团聚,石墨烯与铜之间的润湿性差,使其两者难以形成良好的界面结合,进而导致复合材料的性能变差。因此,为了解决上述问题,本文通过化学还原法在石墨烯上负载铜粒子对石墨烯进行改性处理,成功制备了石墨烯负载铜复合粉体(Cu-rGO),并将其作为增强相,与纳米铜粉混合,运用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了石墨烯负载铜增强铜基块体复合材料(Cu-rGO/Cu),研究Cu-rGO复合粉体含量对铜基体组织和性能的影响。研究发现,在50 mg氧化石墨烯(GO)和200 mg硫酸铜(CuSO4·5H2O)时,获得Cu-rGO复合粉体中还原氧化石墨烯较薄且分布均匀。同时结合TEM结构分析发现铜基体与增强相接触界面紧密,且增强相的引入可以有效地细化块体复合材料的晶粒。另外,随着增强相含量的递增,硬度呈...     

三维石墨烯/氧化锌纳米结构复合材料的制备及其在双氧水检测中的应用

通过化学气相沉积法制备出孔洞为300~500μm骨架完好的三维石墨烯,并采用晶种诱导法在三维石墨烯表面原位生长直径为100nm左右、长度达2.80μm的ZnO纳米棒,从而制备出高度结晶的三维石墨烯/氧化锌纳米结构的复合材料。复合材料用XRD、SEM进行表征,并通过循环伏安曲线(CV曲线)及时间电流曲线(I-t曲线)电化学测试方法,测试三维石墨烯/氧化锌纳米结构复合材料对双氧水的检测情况。结果显示,采用新方法制备的三维石墨烯/氧化锌纳米结构复合材料作为电极对双氧水表现出优异的检测性能,检测限为1μmol/L,且线性检测范围为10~120μmol/L。     

石墨烯复合材料的制备及应用研究进展

石墨烯是碳原子以sp2杂化连接而成的单原子层结构,这一独特的二维结构使得石墨烯具有优异的光电性能、热稳定性以及化学性能.石墨烯复合材料的制备、性能和应用成为近年的研究热点.本文综述了石墨烯复合材料的制备方法,包括石墨烯/高分子复合材料、石墨烯/金属(金属氧化物)复合材料、石墨烯三元复合材料,以及石墨烯复合材料在锂电池、电容器、光伏材料、传感器等方面的应用研究进展,指出了石墨烯复合材料研究的重要方向.     

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%。     

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.%。     

化学气相沉积法制备原位生长三维石墨烯/铜基复合材料

本研究通过脱合金化和化学气相沉积相结合的方法,以纳米多孔铜为基底,制备了三维石墨烯/铜基复合材料.该复合材料电导率在93.5％IACS的情况下,硬度和抗拉强度分别达到55.2 HV和330 MPa.相较于一般的铜基复合材料,原位合成制备的石墨烯不仅可在多孔铜基体内三维连续分布铺展生长,而且高质量生长并且均匀分散的薄层石墨烯对复合材料的物理与机械性能增强起到重要作用.为石墨烯/金属基复合材料研究提供了新思路.     

铜/铝双金属复合材料研究新进展

双金属复合材料能综合各基体金属的优异性能,弥补单一金属的不足,具有性价比高、成本低等特点,是目前材料研究领域的热点。铜/铝双金属复合材料作为一种典型的双金属复合材料,综合利用铜的高导电、高导热,以及铝的质轻、易焊接、低成本等优点,广泛应用于电力、热传输、汽车等领域,受到国内外研究人员的广泛关注。然而,制备铜/铝双金属复合材料的主要难点包括:(1)铜、铝两种材料均易氧化,且形成的氧化膜难以去除;(2)界面易形成硬脆的金属间化合物,危害铜/铝双金属复合材料的性能。近年来,研究人员不断完善现有工艺和开发新工艺,对界面形成机理、金属间化合物的生长调控、组元金属之间的尺寸与性能的匹配、变形与热处理协调、性能表征等方面进行了大量研究,并取得了丰富的成果。研究人员通过优化工艺参数、采用物理和化学方法控制界面金属间化合物的生长,提高界面结合强度;采用原位表征手段观察界面的相演变,探究界面结合机理;结合有限元模拟技术,开展铜/铝双金属复合材料变形、热处理和缺陷预测等方面研究,指导实际生产;综合评价铜/铝双金属复合材料的力学、电学、热学和耐腐蚀等性能,不断挖掘其应用潜力。本文归纳了铜/铝双金属复合材料的制备工艺,重点评析了组合复合工艺在制备铜/铝双金属复合材料的应用。综述了铜/铝双金属复合材料在界面组成、原位观察界面相的演变、界面性能评价和界面结合性能提升等方面的研究新进展,并预测了铜/铝双金属复合材料未来的研究方向。     

金属基石墨烯复合材料的合成机理及工艺方法

石墨烯具有良好的力学性能、导电导热和耐腐蚀性能,大部分纯金属只有在某些方面有着单一的良好性能,而不具备多维度的优良材料性能,金属基复合材料可以弥补纯金属在单一方面性能的不足,具有比单一基体更优异的性能;石墨烯/金属基复合材料(Gr-MMC)在航空航天、汽车、电子和军事领域有着广泛的应用。详细介绍了微观层面金属基表面沉积石墨烯的机理,在不同的金属表面石墨烯会表现出不同的行为,其中铜、钌、铱、镍是比较有代表性的几种金属,通过研究在不同金属上的沉积机理能够更好地从微观层面指导金属基复合材料的制备;金属基石墨烯复合材料的制备工艺针对不同的金属大致可以分为液相法、固相法和沉积处理,对于每种工艺方法的特点和不足也有所提及。     

超高导电铜基材料的研究现状与展望

超高导电铜是指导电性能优于国际退火铜标准的一类铜材料,其在机械、电子和电力等领域具有广阔的应用前景。综述了超高导电铜的研究现状,介绍了纯铜、铜合金和铜基复合材料3类超高导电铜体系,其中,最有望实现大规格超高导电铜的材料体系是在铜基体中加入碳纳米管或石墨烯等碳纳米材料。随后,指出了现阶段超高导电铜基复合材料制备存在的3个关键问题:良好的电学接触界面、优化复合材料的构型和实现碳纳米材料良好的结构/本征性能与均匀分散的协同。基于这3个关键问题,介绍了铸造、电解共沉积、化学气相沉积法、粉末冶金法等一系列有望制备超高导电铜基复合材料的方法,并总结了其优缺点。最后,对超高导电铜未来发展趋势进行了展望。     

新型石墨烯复合材料的研究进展

石墨烯复合材料具有不同的结构和组成,包括石墨烯/聚合物、石墨烯/金属、石墨烯/金属氧化物等二元复合材料以及石墨烯/无机材料/聚合物三元复合材料.它们优异的物理和化学性质,在众多领域内显示出广阔的应用前景,如储能、传感器、催化剂载体和电极材料等领域.制备具有新颖结构和组成的石墨烯材料及其应用研究已经成为复合材料领域的研究前沿和热点之一.综述了新型石墨烯复合材料的制备、组成以及应用的研究进展,探讨了该研究领域亟待解决的问题以及今后可能的发展前景.     

PBT/石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及其导电性能研究

以膨胀石墨为基体,用硝酸铁、碳酸铵等物质对其进行修饰,结合化学气相沉积工艺,原位制备出石墨烯/碳纳米管复合粉体材料;利用扫描电镜对复合粉体进行了表征。采用熔融混炼的方法制备PBT/石墨烯/碳纳米管复合材料并测试了其表面电阻。研究结果表明:该方法可以制备出性能优异的石墨烯/碳纳米管复合粉体材料,将该复合粉体加入到PBT中所制备的复合材料具有优良的电性能;当复合粉体加入量为5%时,PBT/石墨烯/碳纳米管复合材料的表面电阻可达到106Ω。     

新型石墨烯-聚苯胺-银基电极复合材料的制备及性能研究

目的设计一个低成本条件下成熟高效制备石墨烯-聚苯胺-银基复合电极材料的工艺路线。方法研究石墨烯的制备工艺以及石墨烯与聚苯胺、银粒子的复合效果,将石墨烯与苯胺、银粒子通过原位聚合的方法制得石墨烯-聚苯胺-银复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换-红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、循环伏安法(CV)和恒电流充放电法(GCD)对石墨烯和石墨烯-聚苯胺-银复合材料的形貌、结构和电化学性能进行分析研究。结果 SEM、FT-IR、XRD等测试表明,聚苯胺类衍生物、石墨烯以及银粒子在整个复合材料中共存。结论 CV和GCD的测试结果表明复合材料有优良的电化学性能,比电容最高可达到293 F/g。     

烧结压力对石墨烯增强铜基复合材料组织性能的影响

烧结压力是粉末冶金制备材料过程中重要工艺参数之一,通过在石墨烯/铜中添加钛粉以改善二者润湿性,使用超声分散和球磨法进行混粉,用放电等离子烧结(SPS)的方式制备石墨烯铜基复合材料,在5,15,25,30MPa 4种不同压力下进行烧结。用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对石墨烯增强铜基复合材料显微结构进行观察,测量试样密度,并采用硬度计、导电率测试仪对力学性能和导电性能进行测试。结果表明,随着烧结压力的升高,复合材料晶粒尺寸不断减小,导电率先上升后下降。当烧结压力达到25 MPa时,导电率最大为51.2%IACS;复合材料的密度和硬度值不断增大。     

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.     

原位生长石墨烯增强铜基材料的制备及其热性能研究

以廉价的蔗糖为碳源,在片状铜粉表面原位生长了石墨烯,并采用热压烧结制备不同石墨烯含量的铜基材料。通过XRD、SEM和激光导热分析了蔗糖含量对铜基材料的相、微观形貌以及热导率的影响。结果表明,在H₂/Ar气氛下,800℃处理15 min即可在片状铜粉上原位生长出石墨烯,且分散均匀,与Cu基体结合良好,有利于增强其热性能。当石墨烯含量为0.73%(体积分数)时,铜基材料的热导率达到339W/(m·K),较纯铜提高了19.3%;此外,在50～300℃温度范围内,其热膨胀系数也明显低于纯Cu样品。     

石墨烯/陶瓷复合材料制备工艺研究进展

制备工艺是调控石墨烯/陶瓷复合材料结构、优化其力学和热电等性能的关键.重点综述了石墨烯/陶瓷复合材料的粉末压坯烧结工艺和3D打印工艺及其研究进展.粉末压坯烧结工艺包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和高频感应加热烧结等,具有工艺简单、材料性能好、制备参数易控制等优点,是石墨烯/陶瓷复合材料的主要制备工艺,用于制备致密的块体复合材料;主要3D打印工艺有直写成形、激光选区烧结、喷墨打印和立体光固化等,具有结构和形状可控的特点,是目前石墨烯/陶瓷复合材料的研究热点,用于成形复杂形状和特定性能的复合材料器件.另外,还简要介绍了原位生成法、碳热还原法等利用特定物理化学反应制备石墨烯/陶瓷复合材料的制备工艺,并综述了石墨烯在复合材料中的分散工艺.