石墨烯增强铜基复合材料制备工艺及性能的研究进展.pdfVIP

1制备工艺

1.1粉末冶金法

粉末冶金法是将石墨烯粉与铜粉通过球磨等方式混合，然后经过压制

与烧结进行致密化而获得石墨烯增强铜基复合材料(Gr/Cu复合材

料)的一种方法，其原理如图1所示。

通过球磨将石墨烯纳米片(GNSs)与铜粉混合，再通过真空热压烧结

制备了GNSs/Cu复合材料；在球磨过程中石墨烯的润滑作用使得

铜粉冷焊倾向减小，粉末颗粒形状趋于扁平细小，烧结后石墨烯

分布于铜基体晶界处，在一定烧结压力下适当降低烧结温度有利

于提高复合材料的力学性能和导电性。充分混料并烧结后制备的

块体复合材料可通过塑性变形加工，进一步降低复合材料孔隙率，

实现完全致密化，改善增强体分布状况并细化晶粒。采用片状粉

末冶金工艺与轧制变形相结合的方法制备出GNSs/Cu复合材料带

材，发现片状粉末冶金工艺中的球磨可以有效将石墨片剥离为石

墨烯，并与二维片状铜粉结合良好，轧制后石墨烯在基体中分散

良好，复合材料截面呈有序片层堆叠状结构，其抗拉强度达

330MPa，并拥有极高的弹性模量(170GPa)与优良的抗弯曲能力。

粉末冶金法作为石墨烯增强铜基复合材料最为成熟的制备工艺，对基

体粉末与增强体的含量、尺寸、形状等基本没有限制，具有较高

的可设计性，但混料过程易破坏石墨烯结构的完整性，降低石墨

烯的强化效果。

1.2分子级水平混合法

分子级水平混合法通过将氧化石墨烯(GO)与铜氨等含有Cu2+的溶液混

合，使Cu2+吸附到GO表面，并在还原气氛下高温还原或使用水合

肼(分子式NH·HO)等强还原剂还原，得到还原氧化石墨烯(rGO)

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与铜的复合粉体，其原理如图2所示；再经烧结后制得石墨烯增

强铜基复合材料。

以石墨烯纳米微片(GNPs)和GO为碳源，通过分子级水平混合法制

备了GNPs/Cu、rGO/Cu和镀镍的GNPs-Ni/Cu3种复合材料，发现：

GNPs与铜基体界面处存在机械与冶金结合；GNPs-Ni与铜基体间

存在铜镍过渡层，使复合材料具有更高的负载能力，抗拉强度达

281MPa，高于镀镍前的256MPa；rGO与铜基体界面处为富氧区域，

二者形成了化学键合，改善了界面结合情况，复合材料的抗拉强

度为278MPa，并拥有与纯铜相当的塑性。分子级水平混合法的优

点在于铜以离子形态吸附在GO表面，能有效防止团聚发生。通过

在溶液中引入高剪切混合过程，进一步降低了石墨烯的团聚倾向，

石墨烯在基体中分布更为均匀，并且得到的复合粉体粒径更小，

因此复合材料的力学性能显著提升。研究发现，溶液酸碱度与温

度能够很大程度影响复合粉体的微观结构，铜在酸性环境下以片

状Cu(OH)Ac的形式存在，在碱性环境时生成Cu(OH)以及CuO

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