PDF《球磨时间对石墨烯 /铜复合材料组织和性能的影响》

第46 卷第1期稀有金属材料与工程 Vol.

46, No.1

2017 年1月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING January

2017 收稿日期:2013-12-14 基金项目: 国家自然科学基金 (11564022) ;

高等学校博士学科点专项科研基金 (20135314120004) ;

教育部博士点基金 (20135314110003) 作者简介:凌自成,男,1988 年生,硕士生,昆明理工大学材料科学与工程学院,云南 昆明 650093,

电话:0871-65109952,E-mail: lingzichengbyd@163.com 球磨时间对石墨烯/铜复合材料组织和性能的影响 凌自成

1 ,闫翠霞

1 ,史庆南

1 , 冯中学

1 ,曲永冬

2 ,李涛1,杨应湘

1 (1. 昆明理工大学,云南 昆明 650093) (2. 云南省机械研究设计院,云南 昆明 650031) 摘要:采用机械球磨湿磨法在不同球磨时间下将 0.5%(质量分数,下同)石墨烯与纳米铜粉混合,然后通过等离子 烧结(SPS)技术制备石墨烯/铜(G/Cu)复合材料.利用 SEM、XRD 等对球磨过程中复合颗粒形貌及其组织结构变化规律 进行分析.结果表明,当球磨时间延长至

8 h 时,石墨烯在铜基体中有更好的结合和分布,性能改善相对最佳,G/Cu 复合材料的拉伸屈服强度为

183 MPa,较纯铜提高 52.5%;

压缩屈服强度也由纯铜的

150 MPa 提高到

365 MPa,提升近 1.4 倍;

HV 硬度也提高到了

1350 MPa,导电率达到了 66.5%IACS,综合性能得到明显提高. 关键词:机械球磨湿磨;

G/Cu 复合材料;

组织结构;

力学性能 中图法分类号:TB333;

TG113 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2017)01-0207-06 石墨烯优良的力学、电学、热学和光学等性能, 使其在复合材料制备和应用中成为一种很有潜力的增 强体[1,2] .近年来,国内外学者对石墨烯复合材料的研 究主要集中在石墨烯M聚合物纳米复合材料上[3-5] .然而,在石墨烯M无机纳米材料领域,特别是关于石墨烯 M金属基增强复合材料的相关报道不多.J. Wang[6] 等采 用粉末冶金法, 向铝基体中加入 0.3%的石墨烯纳米薄 片制备石墨烯/铝复合材料,其抗拉强度为

249 MPa, 较普通铝合金提高了 62%.D. Kuang[7] 等采用电沉积 技术制备了石墨烯/镍复合材料(石墨烯含量为0.12%),其硬度为 6.85 GPa,较纯镍(1.81 GPa)提高了

4 倍;

弹性模量为 252.76 GPa,也较纯镍(166.70 GPa) 提高了 1.5 倍. 通过以往的实验结果可以看出,金属基/石墨烯复 合材料性能仅在有限范围内得到提升,石墨烯作为优 良增强体的性能并未得到充分发挥.究其原因为:(1) 金属基体与石墨烯界面润湿性很差;

(2) 石墨烯比表 面积大,容易产生团聚,使得石墨烯很难均匀分散在 金属基体上. 这些问题引起了国内外学者的广泛关注, 大多希望通过改进制备方法来解决石墨烯团聚及复合 材料界面间的润湿性问题.目前其制备方法主要有粉 末冶金法、化学沉积、水热处理等[2] .这些方法在一 定程度上解决了石墨烯与铜的浸润问题,但是由于采 用的是颗粒内生方式,颗粒的尺寸和反应过程等相关 工艺参数难以控制;

石墨烯极易发生团聚;

另外颗粒 在变形过程中产生加工硬化,材料变脆,产生脆硬相, 导致材料的性能降低,阻碍了石墨烯增强相性能的充 分发挥.此外,有学者采用化学镀铜包裹石墨烯的方 法[8] 来制备 G/Cu 复合材料,但是由于铜易氧化,易腐 蚀,通过此种方法所制得的复合材料性能不理想.另外,化学镀铜时需要不断搅拌以提供新的电解质反应 面,在化学镀过程中产生大量氢气,如何除氢也成为 提升该方法可行性的一大难题. 本实验采用机械球磨湿磨法将石墨烯、纳米铜粉 均匀混合,然后通过等离子真空热压烧结(SPS)技术, 制备了力学性能良好的 G/Cu 复合材料.主要研究了 不同球磨时间对复合材料粉体形貌和微观结构的影 响,以及复合粉体烧结后 G/Cu 复合材料组织、性能 与球磨时间的关系.