原位催化固体碳源制备石墨烯/铜复合材料及其力学性能研究

摘要

石墨烯特有的单层结构赋予其优良的力学、电学等性质，使其在金属基复合材料的研究中倍受关注，被认为是制备轻质、高强复合材料的理想增强体。为使其在金属基复合材料中发挥优异的性能，关键是获得结构完整、分散均匀并与基体界面结合良好的石墨烯。目前大多采用的在金属基体中外加石墨烯的方法存在着石墨烯缺陷较多、易于团聚、结构易被破坏等问题。因此，探索新的制备方法以突破现有技术的局限是实现石墨烯增强金属基复合材料高性能化的关键所在，对于金属基复合材料结构功能一体化的发展也具有重要意义。
　　本文首次采用原位化学气相沉积和粉末冶金相结合的方法，制备了石墨烯增强铜基复合材料。首先将铜粉和固体碳源聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行共混球磨，以实现PMMA在铜粉表面的均匀分散，然后采用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯，最后利用粉末冶金热压烧结制备块体复合材料。研究了球磨工艺和气相沉积工艺参数对还原产物的石墨化和形貌的影响，研究了铜粉粒径、铜粉和固体碳源比例对石墨烯原位生长的影响，考察了粉末冶金参数对块体复合材料结构和性能的影响，探讨了二维和三维原位生长的石墨烯在铜基体中的强化机理的区别。
　　结果表明，球磨工艺可以实现固体碳源在铜粉基体中的均匀分散，同时气相沉积过程中氩气和氢气的比例、还原时间和温度对石墨烯的质量影响明显，优化的工艺参数可以实现高质量原位生长石墨烯的可控制备；-400目铜粉和纳米铜粉球磨后分别变形成为薄片状和球形团簇状，碳原子在两种形貌铜粉表面沉积而分别形成二维片状石墨烯和三维网络石墨烯；优化的真空热压时间、温度等工艺参数可以实现高致密度块体复合材料的制备，质量分数0.95 wt.％的二维石墨烯/铜复合材料σs达244 MPa，σb为273 MPa，相比纯铜分别提高了177%和27.4%；质量分数0.5wt.%的三维网络石墨烯/铜复合材料σs达到290 MPa，σb为308 MPa，相比纯铜分别提高233%和35.7%。二维和三维石墨烯均通过阻碍位错运动和载荷转移方式实现复合材料的强化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2石墨烯概述

1.3金属基复合材料的制备

1.4本论文工作的意义及主要研究内容

第2章 实验材料、仪器及分析方法

2.1 石墨烯/铜复合粉末的制备与表征

2.2 块体石墨烯/铜复合材料的制备与表征

第3章 原位催化固体碳源制备二维石墨烯/铜复合材料及其性能研究

3.1 引言

3.2 PMMA/铜复合粉末的制备

3.3 原位化学气相沉积法制备二维石墨烯/铜复合粉末

3.4 真空热压烧结条件对二维石墨烯/铜块体复合材料性能的影响

3.5 二维石墨烯强化铜基复合材料的机理研究

3.6 本章小结

第4章 原位催化固体碳源制备三维网络石墨烯/铜复合材料及其强化机理的研究

4.1 引言

4.2 PMMA/铜复合粉末的制备

4.3 原位化学气相沉积法制备三维石墨烯/铜复合粉末

4.4 三维石墨烯增强铜复合材料的性能测试以及强化机制研究

4.5 二维石墨烯和三维石墨烯增强铜复合材料机理的研究

4.6 本章小结

第5章 全文总结

5.1 全文结论

5.2 工作创新点

5.3 本文工作展望和建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢