铜基石墨烯复合材料的制备及性能研究

为了解决铜的硬度等力学性能差的问题,设计了用泡沫铜为基底和催化剂,通过化学气相沉积(CVD)法制备分布均匀的Cu/3DGNs复合材料.经电火花放电等离子烧结(SPS)制备成高强高导的铜基石墨烯复合材料,在保留铜基体优异的导电、导热等性能的同时提高其力学性能.结果表明,采用硝酸清洗,800℃退火30min,反应气体(H_2/Ar/0.95%C_2H_4-Ar混合气体)流量比为80∶4 000∶5sccm,生长温度为1 000℃、生长时间为10s时,制备的石墨烯表面平整、层数较少、覆盖率高、几乎没有缺陷,石墨烯的形貌最佳;采用600℃的烧结温度、25kN的烧结压力、100℃/min的升温速率梯度烧结,制备出的铜基石墨烯复合材料最为致密,性能最优.

烧结温度对铜基石墨烯复合材料物理性能的影响

850~1050℃范围内,研究了不同烧结温度铜基石墨烯复合材料的物理性能。实验表明,烧结后铜/石墨烯试样存在一定数量的孪晶,晶界处有孔隙存在。随着烧结温度的升高,试样的晶粒尺寸、密度不断提高,显微硬度、压缩屈服强度和弹性模量先增加后降低。在950℃,铜/石墨烯能够获得最佳的显微硬度、压缩屈服强度和弹性模量。

石墨烯增强铜基复合材料制备工艺及性能的研究进展

作为常用的金属材料,铜因强度较低而应用范围受限,石墨烯具有优异的综合性能,作为极具潜力的增强体而受到广泛关注。石墨烯增强铜基复合材料兼具了铜和石墨烯的优良性能而成为了重要的研究对象。介绍了石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺与综合性能,重点讨论了各种制备工艺的特点、强化机制、构型设计,总结了针对复合界面结合弱与石墨烯分散困难这2类主要技术难点的解决途径,最后对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺进行了展望。

激光制备新型石墨烯/铜基复合电触头

为了解决电力系统中关键材料电触头同时受到电弧烧蚀、动静触头相互碰撞产生的冲击载荷和摩擦以及电流产生焦耳热引起的熔焊的问题,提高电气设备的使用性能,发展新型高性能触头材料,提出了一种石墨烯/紫铜复合触头的新型制备方法。采用等离子体辅助加工手段,在质量分数为0.999的紫铜表面上制备出镍铜合金过渡层,在此过渡层上利用高功率连续激光原位制备石墨烯表面薄膜,全覆盖于紫铜基底表面,作为独立涂层来抵抗触头材料所受的破坏,探索了制备石墨烯复合触头材料过程中的等离子体辅助加工工艺以及激光加工工艺。结果表明,石墨烯/铜基触头材料具有优异的电工特性,电阻与紫铜相近,硬度为紫铜的1.8倍,摩擦系数仅为0.06。本研究可为电工材料提供新的解决思路和新的材料体系。

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

为充分利用石墨烯的三维结构和优异的力学、导电及导热性能,推动石墨烯增强铜基复合材料的研究,综述了石墨烯增强铜基复合材料的制备方法,即粉末冶金法、电沉积法、化学合成法、化学气相沉积法。分析了石墨烯/铜复合材料性能的影响机理,以期制备出具有优异综合性能的新型复合材料。

石墨烯/铜基复合材料织构表面的摩擦特性

目前针对石墨烯/铜基复合材料的研究主要集中在复合材料的制备工艺对材料性能的影响上,对石墨烯/铜基复合材料表面摩擦特性影响还缺乏深入探究。采用热压烧结法制备石墨烯/铜基复合材料,并利用激光在复合材料表面完成不同尺寸和形态的微织构加工,探究织构化和石墨烯对复合材料表面摩擦特性的影响。测试结果发现:当石墨烯含量为0.5%时,该复合材料存在一个硬度峰值为140 HV,比铜合金基体的硬度提高了近27%。同时具有凹坑织构的复合材料表面摩擦因数及磨痕宽度随表面织构直径的增加而呈现“下降-上升”趋势,其中凹坑直径为200μm时,各项指标达到最小,摩擦因数为0.377,磨痕宽度为231μm,可以看出合适的织构形状、尺寸以及适当的石墨烯含量使得石墨烯/铜基复合材料在减磨性和耐磨性方面有所提高。将激光表面织构化技术与粉末冶金技术相结合,为改善零部件表面摩擦磨损性能提供了一种新的工艺。

石墨烯增强铜基复合材料的制备与性能

为了改善石墨烯在铜基体中的分散性和界面结合性,采用溶液混合法、球磨法使石墨烯包覆铜粉颗粒,采用真空热压烧结法制备石墨烯/铜基(GR/Cu)复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察复合粉体形貌,测试材料的致密度、硬度、导电性及摩擦磨损性能,并根据摩擦表面形貌分析磨损机制。结果表明:石墨烯能够均匀分散在铜基体中,随着石墨烯含量的增加,复合材料的硬度呈先增加后减小的趋势。当石墨烯质量分数为0.3wt%时复合材料综合性能较好,显微硬度为80 HV,比纯铜提高了12.7%,磨损量比纯铜减少了33%。

石墨烯铜基复合材料制备与强化机制研究进展

铜基材料的强度与电导率互相矛盾,其已成为高端铜材研发的关键技术瓶颈。石墨烯因其独特的结构和性质,可作为铜基材料理想的增强体,可显著提高材料的力学性能。为此,针对国内外相关研究现状,详细阐述了当前石墨烯铜基复合材料的制备方法,即粉末冶金法、分子水平混合法、化学气相沉积法以及电化学沉积法等。同时,对石墨烯在铜基复合材料中的强化机理做出解释,并提出相应的计算公式进行量化处理,以便于将实验值与理论值进行对比。最后,对未来石墨烯铜基复合材料的性能改进(包括高质量单层石墨烯制备)和石墨烯-铜取向结晶一致进行了展望。

具有优良导电性能的铜石墨烯异质结构的制备

铜材料与石墨烯复合的过程中,需要确保石墨烯薄膜的高质量以及均匀分散,尽量保持石墨烯薄膜的完整性。将树枝状铜粉在高温下烧结形成三维多孔结构的泡沫铜,采用氧气辅助的化学气相沉积法(CVD法)在三维多孔结构泡沫铜的内外表面生长多层多晶石墨烯薄膜,石墨烯薄膜在铜基体表面接近全包覆。采用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段对铜基体内部的铜结构以及石墨烯质量进行了测试。结果发现:内部的铜也是三维多孔结构,石墨烯薄膜是近乎完整且连续的,并且整体上在铜基体内是均匀分散的状态。石墨烯薄膜的层数为6层左右,晶粒尺寸约为5~10μm。还研究了不同粒径的树枝状铜粉制备的三维多孔石墨烯铜基复合结构,发现铜粉的粒径、堆积质量和烧结温度都会对孔径和孔隙率产生影响,并最终影响石墨烯在铜基体内部的生长。最后采用火花等离子烧结技术制备了直径20mm的铜基石墨烯合金,电导率测试结果表明,铜/石墨烯合金的电导率达到了101.2%IACS,为一种超高导电的铜基石墨烯复合材料。

空穴浓度、基底和温度对金属基外延石墨烯态密度的影响

以吸附在金属铜基底上的外延石墨烯为例,研究了空穴浓度随温度的变化,探讨了空穴浓度和基底以及温度对金属基外延石墨烯态密度的影响.结果表明:(1)空穴浓度随温度升高而非线性增大,铜基底外延石墨烯的空穴浓度随温度的变化率小于石墨烯的相应值;(2)与石墨烯相比,基底的存在使铜基外延石墨烯的空穴浓度随温度的变化要迅速增大,态密度在电子能量为0时的值要增大,而态密度极大值相应的电子能量(称为最可几能量)变小;(3)铜基外延石墨烯的态密度随空穴浓度α的增大和温度的升高而减小,其中,随空穴浓度α的变化为线性,而随温度的变化为非线性.

石墨烯增强铜基复合材料的制备及性能研究

以三维泡沫铜为基体,采用化学气相沉积得到石墨烯铜复合体,同时解决了石墨烯在铜基体中分散性和界面结合问题,再用铜粉填充泡沫铜孔隙,然后真空热压制备石墨烯增强铜基复合材料。探究了石墨烯对铜基体复合材料导电性及拉伸性能的增强效果。研究发现,石墨烯对铜基体性能有明显增强作用,在50 sccm甲烷通量下15 min时沉积的石墨烯性能增强效果最佳。热压制备的石墨烯增强铜基复合材料的导电性能达到86.2%IACS,抗拉强度提高到338 MPa,屈服强度也达到214 MPa。

Ni添加量对铜基板和石墨烯铜基板的界面反应和IMC生长的影响

研究了钎焊与时效过程中,在Sn0.7Ag0.5Cu(SAC0705)钎料与Cu基板和石墨烯Cu基板界面处金属间化合物(IMC)的形成与演变。采用加热平台制备焊接试样并在120℃时效600h。结果表明,界面金属间化合物在时效过程中增厚。SAC0705/Cu和SAC0705/G-Cu 2种焊接界面金属间化合物均为Cu6Sn5。当钎料中添加Ni元素后,Cu6Sn5化合物转变为(Cu,Ni)6Sn5。随着钎料中Ni元素含量的增大,2种基板上的界面金属间化合物厚度先增加后减小。此外,随着Ni含量增大,化合物生长速率降低。石墨烯Cu基板表面的石墨烯层起到扩散阻挡层效果,因此,石墨烯Cu板上的化合物厚度小于常规Cu基板,同时其界面化合物生长速率较低。

基于维氏金刚石针尖制备复合SERS基底的技术研究

基于维氏金刚石针尖的连续压痕加工方法,在铜基石墨烯表面上成功地制备出了阵列的四棱锥形压痕结构。随后,在结构化的铜基石墨烯表面涂覆一层金膜以作为复合SERS基底。实验结果表明,通过改变相邻间距的四棱锥压痕重叠形成不同形状的阵列微/纳结构,且该微纳结构对带有金膜的铜基石墨烯基底的拉曼强度有影响。在制备微纳结构的过程中,石墨烯出现了堆叠的现象,且随着加工间距的减小,石墨烯的层数有逐渐增加的趋势。其次,通过改变相邻两个压痕之间的间距四棱锥压痕的深宽比(S)对R6G分子的拉曼强度有明显的影响。其中,当S为0.043时,检测R6G分子610 cm^(−1)特征峰的最大拉曼强度为1439 counts。在压痕的材料堆积处及压痕的内部检测R6G分子拉曼强度的标准偏差分别为6.16%和9.19%。在检测农药残留方面,采用该复合基底检测百草枯和西维因的分辨率分别为10^(−5) mol/L和10^(−6) mol/L。该方法是一种可靠的及成本低的制备复合SERS基底的方法,且能够实现对农药残留的低浓度检测。