论文部分内容阅读
铜具有优良的导电、导热和加工性能,在航空航天、海洋工程、电子和汽车等领域获得广泛应用。然而,铜塑性高而强度低的特点使其应用受到一定的限制,采用传统的添加碳纤维或碳纳米管的方法能获得较好的增强效果,有效保证其高导电导热及耐磨等性能,但存在力学性能较差、制备比较困难等问题。因此,发展新型增强体对进一步挖掘铜的应用潜力具有重要意义。石墨烯具有超高强度和优异的导电导热性能,用于开发铜基复合材料具有显著优势,但是石墨烯具有较大的比表面积使其在制备过程中易发生团聚,在铜基体中实现均匀分散较困难,并且其与铜之间的润湿性较差。本文利用钛或铬有利于改善铜与石墨烯之间的润湿性的特点,通过在铜/钛或铜/铬的混合粉体中引入石墨烯增强相,使用超声分散和球磨法对粉体进行均匀分散、混合,采用放电等离子烧结(SPS)的方法制备石墨烯增强铜基复合材料,对制得的石墨烯铜基复合材料进行组织和性能表征,结果表明:(1)经超声和球磨后的复合材料粉体呈扁平状,石墨烯在铜粉中存在部分团聚的现象,经XRD分析混粉过程未发生氧化。(2)石墨烯增强铜/钛复合材料中的铜基体发生再结晶并伴随形成孪晶组织。随着烧结温度的升高,复合材料组织中晶粒尺寸总体上不断增大,孔隙等缺陷则相应有所减少。在750～900℃范围内升高温度,复合材料的密度值和硬度值呈上升趋势,而导电率逐渐下降。其中,在750℃的烧结温度下,复合材料导电率最高,达到56.8%IACS;在900℃的烧结温度下,复合材料的密度值为8.54 g/cm3,达到纯铜(8.51 g/cm3)水平,而布氏硬度值达到66.4,较纯铜(46.6)提高了 42.5%。(3)随着烧结压力增加,石墨烯增强铜/钛复合材料中的铜基体的晶粒总体上出现了较明显的细化,有利于改善复合材料的力学性能。在5MPa～30MPa范围内升高烧结压力,复合材料密度从4.47g/cm3增加至8.54g/cm3,提高了 391.1%,布氏硬度从33.4HB增加至66.4HB,提高了 98.8%,导电率呈现先增加后下降的规律,在25MPa的烧结压力下时导电率最大,为51.2%IACS。(4)在750～900℃范围内升高温度,石墨烯增强铜/铬复合材料的密度值和硬度值呈先上升后下降,又继续上升的趋势,而导电率先持平后逐渐下降。其中,烧结温度在750℃到850℃之间变化时,复合材料导电率始终处于50%IACS的水平没有变化;在900℃的温度下复合材料密度值达到最大值8.45g/cm3;在800℃时复合材料布氏硬度达到最大值54.8HB。另外,复合材料的金相组织随烧结压力的增加晶粒总体上逐渐细化。当烧结压力从15MPa升高到35MPa时,复合材料密度从7.84g/cm3增加至8.43g/cm3,提高了 7.53%,布氏硬度从43.4HB上升至57.3,提高了 32%,导电率呈现先下降后增加的规律,在35MPa的烧结压力下时导电率最大,为44.5%IACS。(5)随着石墨烯的添加量从0.1%增加至0.5%,石墨烯增强铜复合材料的密度先升高后降低;石墨烯增强铜复合材料的导电率从70.7%IACS下降至66.9%IACS,下降幅度较小;当加入0.1%石墨烯时,石墨烯增强铜复合材料硬度先上升后下降,石墨烯含量为0.3%时达到最大值51.4HB。铜/钛复合材料密度随石墨烯含量的变化也是先升高后降低。导电率则呈现先降低,后升高,最后又下降的趋势。当加入0.1wt%石墨烯时,铜/钛复合材料的导电率下降至55.3%IACS;当石墨烯添加量为0.3wt%时,其导电率小幅度上升至59.6%IACS;当石墨烯添加量为0.5%时,导电率略有下降至50.4%IACS。硬度随石墨烯掺量的变化呈现与导电率相反的趋势,并于添加量为0.5%时达到最大值63.7HB。铜/铬复合材料密度随石墨烯含量的变化也是先升高后降低。导电率则是随添加量的增加不断下降,当加入石墨烯时从0增加至0.5%时,导电率由66.6%IACS下降至41.3%IACS。硬度也是不断下降,当加入石墨烯时从0增加至0.5%时,硬度由61.8HB下降至55HB。