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石墨烯-碳化钨协同增强铜基复合材料的制备方法
一、1.石墨烯-碳化钨复合材料的制备工艺概述
(1)石墨烯-碳化钨复合材料是一种新型的纳米复合材料,其制备工艺涉及多种化学和物理方法。目前,常见的制备方法包括化学气相沉积(CVD)、溶液法、机械球磨法等。这些方法各有优缺点,其中CVD法因其制备的石墨烯和碳化钨质量高、纯度好而受到广泛关注。CVD法通过在特定条件下控制反应物的输运和化学反应,能够在基底材料上沉积出高质量的石墨烯和碳化钨薄膜。
(2)在制备石墨烯-碳化钨复合材料时,首先需要对石墨烯和碳化钨进行前驱体的合成。石墨烯可以通过氧化还原法、液相剥离法等方法制备,而碳化钨则可以通过化学气相沉积或热分解法合成。合成过程中,需要严格控制反应条件,如温度、压力、反应物比例等,以确保得到具有理想结构和性能的纳米材料。
(3)制备石墨烯-碳化钨复合材料的关键步骤是复合过程。复合过程中,通常采用机械球磨法或原位合成法。机械球磨法通过高速旋转的球磨罐内球体对粉末进行剧烈的撞击和摩擦,使石墨烯和碳化钨纳米颗粒均匀分散在金属基体中。原位合成法则是在金属基体上直接进行石墨烯和碳化钨的合成,从而实现两者之间的紧密结合。两种方法均需优化球磨时间、球磨介质、球磨介质与粉末的质量比等参数,以确保复合材料的性能达到预期目标。
二、2.原材料及制备方法
(1)原材料的选择对石墨烯-碳化钨复合材料的性能至关重要。石墨烯作为复合材料的主要增强相,其质量直接影响复合材料的力学性能。理想情况下,石墨烯的厚度应小于1纳米,长度在数微米至数十微米之间。碳化钨作为第二增强相,其硬度和耐磨性是衡量材料性能的关键指标。实验表明,碳化钨的晶粒尺寸在1-5微米范围内时,复合材料的力学性能最佳。例如,在制备石墨烯-碳化钨复合材料时,常用的石墨烯为单层或少层石墨烯,其比表面积可达2500平方米/克,而碳化钨粉末的纯度需达到99.5%以上。
(2)制备石墨烯-碳化钨复合材料的方法主要包括化学气相沉积(CVD)、溶液法、机械球磨法等。CVD法在制备高质量石墨烯方面具有显著优势,例如,采用甲烷和氢气作为原料,在1000℃左右的温度下,可以在铜箔表面生长出高质量的石墨烯薄膜。溶液法则是通过溶液中的化学反应来制备石墨烯和碳化钨,如采用Hummers法合成氧化石墨烯,再通过还原反应得到石墨烯。机械球磨法是一种物理制备方法,通过球磨介质对粉末进行剧烈的撞击和摩擦,使石墨烯和碳化钨纳米颗粒均匀分散在金属基体中。例如,在制备铜基复合材料时,采用机械球磨法,球磨时间可达10小时,球磨介质为不锈钢球,球磨介质与粉末的质量比为10:1。
(3)在实际应用中,制备石墨烯-碳化钨复合材料的方法往往需要根据具体需求进行调整。例如,在制备用于航空航天领域的复合材料时,需要考虑材料的耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能。在这种情况下,采用CVD法结合原位合成技术,可以在金属基体上直接生长出石墨烯和碳化钨,从而实现高性能复合材料的制备。此外,通过优化制备工艺参数,如球磨时间、温度、压力等,可以显著提高复合材料的力学性能和稳定性。据相关研究报道,通过优化制备工艺,石墨烯-碳化钨复合材料的抗拉强度可达到1200MPa,弯曲强度可达到2000MPa,远高于传统铜合金。
三、3.石墨烯-碳化钨与铜基复合材料的制备步骤
(1)石墨烯-碳化钨与铜基复合材料的制备步骤首先涉及前驱体的合成。首先,通过化学气相沉积(CVD)法在铜箔表面生长单层或少层石墨烯。此过程在1000℃左右的温度下进行,以甲烷和氢气为原料,确保石墨烯的质量和纯度。接着,制备碳化钨粉末,通常采用化学气相沉积或热分解法,确保碳化钨粉末的纯度达到99.5%以上,晶粒尺寸在1-5微米之间。随后,将石墨烯和碳化钨粉末进行混合,比例为石墨烯:碳化钨=1:1,以实现最佳增强效果。
(2)在混合完成后,采用机械球磨法进行复合。将混合好的粉末置于球磨罐中,加入适量的不锈钢球作为球磨介质,球磨时间设定为10小时。球磨过程中,球磨罐以一定的速度旋转,球体对粉末进行剧烈的撞击和摩擦,使石墨烯和碳化钨纳米颗粒均匀分散在铜基体中。球磨介质与粉末的质量比设定为10:1,以确保球磨效果。球磨结束后,对混合粉末进行过滤、洗涤和干燥,去除残留的球磨介质和杂质。
(3)复合材料制备的最后一步是热处理。将干燥后的混合粉末放入真空烧结炉中,在氮气保护下进行烧结。烧结温度设定为800℃,保温时间为2小时。此过程旨在消除粉末中的孔隙,提高材料的致密度。烧结完成后,对复合材料进行退火处理,退火温度为600℃,保温时间为1小时。退火过程有助于消除内应力,提高材料的综合性能。最后,对制备的石墨烯-碳化钨与铜基复合材料进行性能测试,包括抗拉强度、弯曲强度、硬度等,以评估复合材料的性能是
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