基于粉末冶金方法制备石墨烯/铜粉复合材料及其性能研究

摘要

铜有着非常好的导电导热性和优良的延展性，但是铜在高温下易变形而且易磨损的特点限制了它的应用。材料复合化是增强铜基体强度非常好的方法。增强基体的关键是如何限制铜晶粒内部的位错滑移。霍尔-佩奇关系公式表明晶粒的减小和强度增加的关系，本文采用铜纳米粉做为原材料，用石墨烯做为增强体。石墨烯作为一种二维材料有着非常高的拉伸强度和弹性模量，石墨烯是目前已知强度最高和电阻率最低的材料，其本征强度为130GPa，杨氏模量达到了1TPa，而且其载流子迁移率为15,000cm2V-1S-1，这使得它成为非常理想的增强体。石墨烯的高导电导热性，优异的力学性能让石墨烯成了提高铜基体综合性能潜在的候选增强体，但是目前报道的相关文献大部分用还原氧化石墨烯作为增强体，众所周知，还原氧化石墨烯由于含有大量的官能团，其本身的力学强度和电学性能大大低于原始石墨烯，因此作为增强体得到的复合材料性能大打折扣。另一个面临的问题石墨烯在金属基体中不易分散，由于石墨烯非常容易团聚，如何较好地分散石墨烯成为提升基体性能的关键。
　　基于目前文献报道的相关结果和所面临的问题，本文采用化学气相沉积（CVD）方法在铜粉上直接生长高质量的石墨烯，并用拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对石墨烯/铜粉复合材料和腐蚀掉铜粉后的石墨烯进行表征。最后我们采用粉末冶金方法将生长石墨烯后的铜粉进行高压烧结，得到石墨烯/铜块体复合材料，并测试了复合材料的维式硬度、电阻率、耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。具体得出以下结论：
　　（1）我们采用氧化镁做为隔离剂，在1050℃下在铜粉表面生长了石墨烯，拉曼光谱显示石墨烯为多层高质量的石墨烯。SEM图像和元素分析表明石墨烯可以有效地保护纯铜表面不被氧化，这是由于石墨烯具有离子非渗透性。TEM显示石墨烯为5层以上，这是第一次在纯铜上生长如此厚度均匀的石墨烯，我们认为这是由于石墨烯生长自限制在几百纳米尺度，C原子及甲烷裂解的中间产物可以源源不断地接触到纯铜表面生长石墨烯。
　　（2）测得铜/石墨烯复合材料的维式硬度为2.53GPa，为纯铜样品的2.5倍，导电性与纯铜没有明显区别。我们认为这是由于石墨烯超高的剪切模量阻止了铜位错滑移。高质量的石墨烯具有良好的导电性，作为增强体并没有减弱铜基体的电导率。
　　（3）以合金钢为摩擦副，测得复合材料的摩擦系数和磨损率分别为0.2，2.8×10-5mm3/N．m纯铜的摩擦系数为0.35，379.4×10-5mm3/N．m。复合材料较纯铜相比，摩擦系数和磨损率分别降低了57％和两个数量级。这是因为石墨烯在摩擦接触面形成了一层摩擦防护膜。避免了合金钢和铜直接接触，由于石墨烯具有较低的表面能和非常高的刚度，在摩擦过程中，减少了能量损耗。复合材料和纯铜在双氧水溶液中腐蚀24小时，通过观察样品横截面，我们得出复合材料由于石墨烯的保护没有被腐蚀，而纯铜腐蚀严重。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2石墨烯的性能及其制备方法

1.3铜复合材料

1.4铜基复合材料的成型烧结工艺

1.5本文主要研究内容

1.6本论文的主要创新和特色

第二章 材料的制备和测试方法

2.1实验药品

2.2复合材料制备方法和表征设备

2.3石墨烯/铜粉复合材料表征方法

2.4实验性能测试分析方法

2.5实验流程

第三章 石墨烯/铜粉复合材料的制备和表征

3.1引言

3.2石墨烯/铜粉制备方法

3.3石墨烯/铜粉复合材料表征

3.4本章小结

第四章 石墨烯/铜复合材料块体的制备及其性能分析

4.1 引言

4.2 石墨烯/铜复合材料的制备

4.3 石墨烯/铜复合材料及纯铜SEM表征及硬度和电学性能分析

4.4 石墨烯/铜复合材料耐摩擦性能和耐磨损性能的研究

4.5石墨烯/铜复合材料耐腐蚀性能测试分析

4.6本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1结论

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

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