Cu@Gr@陶瓷多层核壳结构的制备及增强铜基复合材料

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石墨烯作为一种二维的层片状材料,具有优异的物理性能和力学性能,并作为增强相在复合材料中具有广阔的应用前景。目前,国内外关于石墨烯作为增强相增强铜基复合材料的研究很多,然而石墨烯的比表面积大,在金属材料中容易发生团聚,并不能充分发挥石墨烯的性能优势。当前发展的核壳结构因其特殊的包覆结构,同时兼具核心和外壳两者的性能特点,被广泛应用于催化、光子晶体、药物医疗、电化学储能等领域,成为近年来研究的热点,而且作为增强相已被应用于增强铜基复合材料中。但目前关于含石墨烯的核壳结构增强铜基复合材料的研究报道较少。基于此,本文采用化学气相沉积法(CVD)和热化学镀法制备多层核壳结构颗粒,将石墨烯包覆在陶瓷核心表面,再包覆一层铜外壳。然后采用粉末冶金法制备出了 Cu@Gr@陶瓷增强铜基复合材料,对Cu@Gr@SiO2和Cu@Gr@Al2O3增强铜基复合材料分别进行显微组织的观察分析以及力学性能的检测分析,探究不同Cu@Gr@陶瓷含量对铜基体力学性能的影响规律,主要结论如下:(1)以平均粒径为1~5 μm的球形氧化铝和二氧化硅作为核壳结构的核心,采用化学气相沉积法成功地制备出石墨烯包覆二氧化硅和氧化铝(Gr@陶瓷)的双层核壳结构。石墨烯均匀地包覆在陶瓷颗粒的表面,没有出现石墨烯褶皱的现象。再用热化学镀的方法成功制备出铜包覆Gr@陶瓷的多层核壳结构。致密的铜壳将双层核壳结构包覆的很完整,颗粒表面的粗糙度明显增加。多层核壳结构界面之间没有空隙,呈致密的球形状,石墨烯的层数为8~15层,铜壳层的厚度大约为0.1 μm~0.3 μm。(2)将Cu@Gr@陶瓷颗粒与铜粉混合后,采用粉末冶金法于300 MPa的压力下压制成坯,850℃烧结制备核多层核壳结构增强铜基复合材料。核壳在基体中分布均匀,当核壳结构的含量为5wt.%时,局部区域出现核壳颗粒的团聚,且随核壳颗粒含量的增加,铜基复合材料的性能先增加后下降。(3)当Cu@Gr@SiO2的含量为2%时,增强颗粒在铜基体中的分散较为理想,复合材料的致密度达到94.65%,电导率为83.1%IACS,维氏硬度为56.8 HV,压缩强度为395 MPa,抗拉强度为140.11 MPa,综合性能最佳。当Cu@Gr@Al2O3的含量为1%时,增强颗粒在铜基体中的分散较为理想,复合材料的致密度达到91.79%,电导率为73.7%IACS,维氏硬度为47.5 HV,压缩强度为398 MPa,综合性能最佳。(4)核壳颗粒增强铜基复合材料的增强机制是位错强化,SiO2和Al2O3是高熔点硬质相,与石墨烯和金属铜基体之间的热膨胀系数差异引起位错增量,从而提高材料的力学性能;断裂机制是韧性断裂,核壳结构的存在,提供了微孔的成核源,在应力作用下便与基体脱离开裂形成微孔。
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