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。     

石墨烯添加量对铜基复合材料性能的影响

采用一步化学还原法结合放电等离子烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料,利用XRD、SEM、拉曼光谱、拉伸试验机、纳米压痕仪、涡流电导率仪等研究石墨烯含量对复合材料微观组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:石墨烯在复合材料基体中均匀分布,石墨烯的添加能显著增强铜基体的力学性能。与纯铜相比,添加0.025%(质量分数)的氧化石墨烯,可使其屈服强度提高219.8%,抗拉强度提高35.9%,弹性模量提高6.9%,此外,其导电率仍有93.1%IACS。随着石墨烯含量的增加,复合材料的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均有所下降,这是因为高石墨烯含量复合粉体中部分石墨烯纳米片未能被铜颗粒包覆,其与铜基体界面结合强度低,石墨烯的剪切应力转移强化效果降低。     

GNP-Ni/Cu复合材料的界面调控和强化机理

采用粉末冶金法,通过“湿法混合”、放电等离子烧结和热挤压相结合的三步工艺分别制备了石墨烯纳米片(GNP)增强铜基复合材料(GNP-Cu)和GNP-Ni增强铜基复合材料(GNP-Ni/Cu)。通过物相组成和显微组织表征,并结合致密度、电导率和力学性能测试,结果表明：GNP和Ni的含量(质量分数)分别为0.2%和1.5%的GNP-Ni/Cu复合材料,其显微硬度和屈服强度比纯Cu分别提高了38%和50%、比0.2GNP/Cu复合材料分别提高了14.0%和11.6%。这些结果表明,Ni的添加改善了GNP与Cu的界面结合,使GNP-Ni/Cu复合材料的力学性能显著提高。GNP的载荷传递强化和热失配强化以及Ni的固溶强化,是材料力学性能提高的主要原因。     

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...     

石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮复合材料的制备及性能

使用层间喷涂法制备了石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮(GR/CF/PEEK)复合材料,对材料微观形态、力学性能、热学以及电学性能进行了分析。结果表明,0.1 wt%的石墨烯的加入即可使复合材料的层间剪切强度(ILSS)从57.3 MPa增加到77.6 MPa,弯曲强度和弯曲模量分别从1 226.2 MPa、64.5 GPa增加到1 512.3 MPa、73.6 GPa。差示扫描量热结果证明少量石墨烯的加入能够提高复合材料基体的结晶度。同时复合材料的热导率和电导率也随着石墨烯含量的增加而增加,加入0.5 w t%的石墨烯,复合材料的热导率和电导率与未加入石墨烯相比分别增加了15.5%和73.1%。GR/CF/PEEK复合材料与CF/PEEK相比具有更优良的综合性能。     

石墨烯纸拉花及其水泥基复合材料的制备和性能

使用石墨烯为原料,羧甲基纤维素钠(CMC)为增韧剂和优化成膜压力等工艺参数制备具有较高力学性能和导电性能的石墨烯纸薄膜,经表面切口和择向牵拉得到三维伸展的拉花式石墨烯纸网络结构,再通过高流动性水泥浆体的浇注、密实和凝结硬化制备出石墨烯拉花改性水泥基复合材料。用动态热机械分析仪(DMA Q800)测试石墨烯纸薄膜的力学性能,用四探针测试仪(RTS-8型)测试其电学性能,用Keithley 2400数字源表测试复合材料在一定压力下的电阻,研究了这种复合材料的压敏性能。结果表明,CMC掺量为50%、成膜压力为12.5 MPa的石墨烯纸薄膜其力学强度和导电能力较好,制备出的石墨烯拉花改性水泥基复合材料具有一定的压敏性能,即使在电阻循环变化率为10.29%的条件下其压敏性能仍具有良好的重复性。     

石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮复合材料的制备及性能北大核心CSCD

使用层间喷涂法制备了石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮(GR/CF/PEEK)复合材料,对材料微观形态、力学性能、热学以及电学性能进行了分析。结果表明,0.1 wt%的石墨烯的加入即可使复合材料的层间剪切强度(ILSS)从57.3 MPa增加到77.6 MPa,弯曲强度和弯曲模量分别从1 226.2 MPa、64.5 GPa增加到1 512.3 MPa、73.6 GPa。差示扫描量热结果证明少量石墨烯的加入能够提高复合材料基体的结晶度。同时复合材料的热导率和电导率也随着石墨烯含量的增加而增加,加入0.5 w t%的石墨烯,复合材料的热导率和电导率与未加入石墨烯相比分别增加了15.5%和73.1%。GR/CF/PEEK复合材料与CF/PEEK相比具有更优良的综合性能。     

原位聚合法制备石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其性能

以石墨烯(GNS)为改性填料,采用原位聚合法制备了GNS/聚酰亚胺(GNS/PI)复合材料,对有关产物的形貌和结构进行了表征。研究了GNS添加量对复合材料力学、电学和热学性能的影响。结果表明:GNS为较薄的片层状,表面较光滑,褶皱较少,有含氧基团残留;当GNS质量分数为1.5%时,复合材料力学性能达到最佳,其拉伸强度达126.7MPa,断裂伸长率达3.4%,邵氏硬度达89.7,摩擦系数和磨损率分别比纯PI降低了50.0%和70.6%;当GNS质量分数为1.0%时,复合材料电导率比纯PI提高了6个数量级;当GNS质量分数为2.0%时,复合材料热起始分解温度达559.2℃,比纯PI提高11.4℃。     

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。     

放电等离子烧结对TiB_2/AlCoCrFeNi复合材料组织与性能的影响

采用放电等离子烧结方法(SPS),制备体积分数5%TiB_2的等摩尔AlCoCrFeNi高熵合金基复合材料。通过密度测试、X射线衍射、扫描电镜及力学性能测试等方法,研究SPS烧结温度及烧结压力对复合材料的微结构演变与力学性能影响。结果表明:随着SPS烧结温度及烧结压力的增加,复合材料的硬度及抗压强度得到明显提高。在1200℃/30MPa进行SPS烧结后,复合材料的致密度达99.6%,抗压强度达2416MPa,屈服强度达1474MPa,硬度超过470HB。烧结过程中,复合材料的基体高熵合金发生相变,1200℃及30~45MPa烧结时,复合材料由BCC,B_2,FCC,σ及TiB_2相组成。     

Microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered titanium‐added copper/reduced graphene oxide composites

Copper matrix composites were fabricated through mixing fixed amount of reduced graphene oxide and the different amounts of titanium. The dried copper/titanium/reduced graphene oxide mixture powders were firstly obtained by the wet‐mixing process, and then the spark plasma sintering process realized their faster densification. In the as‐sintered bulk composites, the layered reduced graphene oxide network, uniform titanium particles and copper‐titanium solid solution are observed in copper matrix. Investigations on mechanical properties show that the as‐prepared bulk composites exhibit the hardness and compressive yield strength compared with single reduced graphene oxide added composites. Increased titanium addition resulted into higher hardness and strength. The relevant formation and failure mechanisms of the composites and their influence on mechanical properties were discussed.     

石墨烯/钛基复合材料的界面反应控制、微观组织和压缩性能

将Ti6Al4V（TC4）粉末与少层石墨烯（GR）粉末进行三维机械旋转混合,实现了GR在TC4球形粉末表面的均匀包覆,经放电等离子烧结(SPS)得到增强相呈三维网络状分布的GR/TC4复合材料。对不同的SPS烧结温度、保温时间、升温速率和轴向压力对GR与钛基体原位界面反应程度的影响进行了研究,并对界面处不同GR/TC4比例的网状结构复合材料的物相结构、显微组织及室温压缩性能进行了系统性的研究。结果表明,烧结温度和升温速率是影响GR与基体反应程度的主要因素,压力主要影响材料致密度,低温高压快速烧结可以降低GR与基体的反应程度,但高比例的GR残留并没有带来力学性能的大幅提升。对于0.25wt%的GR添加量,GR的反应比例约为70%~80%能得到更加良好的异质界面的结合,获得综合力学性能优异的GR/TC4协同增强的钛合金基复合材料。GR在钛合金基体中的三维网络状分布能调控钛基复合材料的强度与塑性的矛盾。      

改性石墨烯/聚氯乙烯复合材料的制备及性能

采用不同含量的硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）对石墨烯（GE）进行改性,将改性GE（KH-GE）与聚氯乙烯（PVC）进行熔融混炼制备KH-GE/PVC复合材料。通过FTIR、Raman、XRD、TEM和SEM表征改性前后GE结构变化,并考察了KH-GE/PVC复合材料的力学性能、导电性能及稳定性能。结果表明,GE∶KH570质量比为1∶2时,KH-GE的层间距较大,改善了GE的团聚,使GE在PVC基体中的分散得到了改善。随着KH-GE含量的增加,KH-GE/PVC复合材料的力学性能显著提高,当KH-GE质量分数为1.5wt%时,KH-GE/PVC复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为23.98 MPa和226.78%,比未添加KH-GE的PVC复合材料分别提高了51.1%和65.73%;相对于纯PVC,当KH-GE质量分数为1.5wt%时,对应的50%热失重（T_50%）及90%热失重（T_90%）分别从289.81℃和486.01℃提高到298.51℃和596.53℃,提高了KH-GE/PVC复合材料的热稳定性,导电性也显著提高。     

原位自生法制备石墨烯增强镁基复合材料的工艺和性能

采用原位自生法制备石墨烯增强的镁基复合材料,并使用Raman、XPS、XRD、SEM和TEM以及电子万能拉伸试验机等手段表征了原位生成的石墨烯的微观形貌和复合材料的力学性能。结果表明:进行原位反应可制备石墨烯增强的镁基复合材料,反应温度越高原位生成的石墨烯的质量越好,制备出的复合材料的性能越高。反应温度为780℃时复合材料的力学性能达到最大值,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为245 MPa、340 MPa和6.7%,比基体的力学性能分别提高了40%、21.4%和48.8%。     

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.     

放电等离子烧结制备AlCoCrFeNi高熵合金的组织演变与力学性能

采用放电等离子烧结方法(SPS)制备了AlCoCrFeNi高熵合金。通过差热分析、密度测试、X射线衍射、扫描电镜及力学性能测试,研究了SPS烧结温度对AlCoCrFeNi高熵合金的致密化行为、组织演变及力学性能影响。结果表明,随着SPS烧结温度的升高,材料的致密度与抗压缩强度明显提高。1200℃烧结后,AlCoCrFeNi高熵合金的致密度达到99.6%,抗压缩强度达到2195MPa,屈服强度达到1506MPa。在SPS烧结过程中,高熵合金从双相结构(BCC+B2)转变为三相结构(BCC+B2+FCC)。     

氧化石墨烯纳米片/环氧树脂复合材料的制备与性能

氧化石墨烯(GO)是石墨烯重要的衍生物之一,通过氧化和超声波分散制备了GO纳米片/环氧树脂复合材料。采用XRD、拉曼光谱、FTIR和TEM表征了GO纳米片的结构与形貌,研究了GO纳米片用量对GO纳米片/环氧树脂复合材料热稳定性、力学性能及介电性能的影响。结果表明:GO纳米片的加入提高了GO纳米片/环氧树脂复合材料失热稳定性;随着GO纳米片填充量的增加,GO纳米片/环氧树脂复合材料的冲击强度和抗弯性能先提高后降低,其介电常数和介电损耗则先减小后增加。GO纳米片填充量为0.3wt%的GO纳米片/环氧树脂复合材料的失重5%时的热分解温度由纯环氧树脂的400.2℃提高到424.5℃,而冲击强度和弯曲强度分别在GO纳米片填充量为0.2wt%和0.3wt%时达到最大,冲击强度由纯环氧树脂的10.5kJ/m2提高到19.7kJ/m2,弯曲强度由80.5 MPa提高到104.0 MPa。