石墨(烯)/铜复合材料的制备及组织性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bluebird2000
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铜及其合金材料具有高的导电性、导热性、耐蚀性和优良的加工性能被广泛应用于电子材料、热阻材料、电刷材料等领域;而石墨和石墨烯因其各自独特结构和性能被作为铜基复合材料的复合体也获得了大量研究。但是碳材料与铜的界面润湿性较差,且石墨烯的比表面积大,难以在铜基体中分散均匀,通过常规粉末冶金法难以获得高致密度的石墨(烯)/铜复合材料,复合材料的性能也存在一定的不足,本硕士论文尝试通过化学镀的方法制备出具有包覆结构的石墨(烯)/铜复合粉体,由此制备组织均匀的复合材料;探索了化学镀工艺对包覆粉体形貌的影响,并考察了复合材料的组织、界面结构和物理力学性能,并与机械法得到的复合材料做对比。通过本论文工作可以为高性能石墨(烯)/铜基复合材料的制备和组织性能研究提供理论和实验积累。本文第二章以石墨和CuSO4·5H2O为主要原料,采用化学镀法制备出具有包覆结构的石墨/铜复合粉体,考察了甲醛浓度、CuSO4·5H2O浓度、石墨浓度以及镀覆时间对石墨/铜复合粉体的影响。获得了最佳石墨化学镀铜工艺条件为甲醛40g/L,CuSO4·5H2O浓度为14.7g/L,石墨为0.6g/L,镀覆时间30min。对所制备的石墨/铜包覆粉体XRD表征结果表明,化学镀得到的复合粉体中含有Cu2O杂质,经H2气氛中350°C还原后,Cu2O被还原成Cu,得到了所需的石墨/铜包覆粉体。本文第三章以制备的石墨/铜包覆粉体和铜粉为主要原料,经混合后得到不同石墨含量(0.5wt%、1wt%、2wt%和3wt%)的石墨/铜混合粉体,经压制烧结得到复合材料,对复合材料组织及性能进行检测分析,并与由机械混合石墨和铜粉为原料所制备的相应石墨含量的石墨/铜复合材料进行对比。实验结果表明:以镀铜石墨制备的石墨/铜复合材料的性能均优于以原料石墨制备的复合材料。通过化学镀法制备出的复合材料避免了石墨的团聚,改善了石墨烯与铜的界面。利用该法制备石墨加入量分别为2wt%的石墨/铜复合材料,其电导率和维氏硬度分别为70.95%IASC和66.8HV。而以原料石墨制备的石墨含量为2wt%的石墨/铜复合材料,其电导率和维氏硬度分别为63.23%IACS和59.2HV。化学镀法制备的石墨/铜复合材料具有更好的综合性能。本文第四章以还原氧化石墨烯(RGO)和CuSO4·5H2O为主要原料,通过化学镀法得到铜包覆RGO复合粉体,再与铜粉混合得到不同RGO含量(0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%)的RGO/Cu混合粉末,经压制及烧结得到RGO/Cu复合材料。通过X射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)光谱、场发射扫描电镜(FE-SEM)和万能试验机等对镀铜RGO和RGO/Cu复合材料组织及性能进行测试分析,并与未镀铜处理的RGO/Cu复合材料进行对比。实验结果表明,经化学镀处理的RGO在RGO/Cu复合材料中分布较均匀,而未镀铜处理的RGO在基体中团聚严重。RGO/Cu复合材料的导电导热性随石墨烯加入量的增加有所下降,但石墨烯的加入可有效提高RGO/Cu复合材料的力学性能。化学镀法得到的RGO/Cu复合材料的性能优于未镀铜处理的RGO/Cu复合材料。当RGO的添加量为0.4wt%时,化学镀法制备的复合材料的综合性能达到最好,其压缩屈服强度为156.73MPa,相较于同样条件下得到的纯铜屈服强度(75MPa)提升109%,电导率达95.01%IACS,热导率为415.5W/(m·K)。
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