RGO/CPD协同增强铜基复合材料的制备、性能及结构研究

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碳纳米材料(Carbon Nanomaterials,CNMs),如二维层状结构的石墨烯(Graphene,Gr)及其衍生物、一维管状结构的碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs),因其优异的力学、热学和电学性能被广泛应用于金属基复合材料(Metal matrix composites,MMCs)。然而当它们作为增强体被应用于铜基复合材料中时,无论是Gr还是CNTs,都存在着不易在基体中均匀分散,以及碳纳米材料与基体不润湿的问题,这些问题导致Gr和CNTs在基体中的实际增强效率远不如理论增强效率,而且使复合材料的电学性能和延伸率下降。近年来,一种新型的同样具有自身优异性能的零维碳纳米材料,碳点(Carbon Dots,CD),引起了人们的关注,它在水中和一些有机溶剂中分散性极好。因此,本文以二维和零维碳纳米材料中含有较多表面官能团的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)和碳化聚合物点(Carbonized Polymer Dots,CPD)为增强体,试图改善其在复合材料中的分散性和界面结合问题,从而缓解复合材料强度与导电性、强度与韧性之间的矛盾,达到协同增强铜基复合材料的目的。实验结果表明:(1)RGO、CPD分别通过分子级共混法和球磨法成功引入铜基体中,分析比较不同烧结温度、不同增强体添加量的复合材料的性能,可以推断出RGO/CPD-Cu复合材料在较低的烧结温度600-700℃下即可实现致密化;且通过分子级共混法引入GO,有利于铜基复合材料强度的提高,但有损于复合材料的电导率和延伸率;通过球磨法引入CPD,复合材料的电学性能和韧性有一定程度的提升;而将RGO-Cu与CPD-Cu混合后,含有两种增强相的铜基复合材料的电学性能、强度和韧性均被改善,实现了RGO和CPD的协同增强。(2)当烧结温度为变量时,烧结温度为600-750℃的RGO/CPD-Cu复合材料;当体积分数为变量时,0.75-1.5 vol.%RGO/CPD-Cu复合材料;当两种增强相的比例为变量时,RGO:CPD在1:3至1:5之间的RGO/CPD-Cu复合材料,它们都维持了电导率-强度-延伸率之间的平衡,相比于纯铜的电学和力学性能无一降低,说明三者之间的矛盾有所缓解。它们之中,强度最高的是烧结温度为650℃、增强体含量为1.5 vol.%、RGO与CPD的比1:3的复合材料,其致密度和电导率分别为99.04%和93.74%IACS,相比于同种工艺制备的纯铜提高了5.49%和6.98%;抗拉强度为367 MPa,提高了27.87%;延伸率为33.2%,提高了1.53%;韧性最好的是烧结温度为650℃、增强体含量为0.75 vol.%、RGO与CPD的比1:3的复合材料,其致密度和电导率分别为98.98%和93.74%IACS,相比于同种工艺制备的纯铜提高了5.42%和6.98%,抗拉强度为312 MPa,提高了8.71%;延伸率为46.8%,提高了30.12%。(3)对RGO/CPD-Cu复合材料进行结构分析,RGO和CPD在基体中均匀分散,无明显的团聚现象;RGO、CPD与基体间存在化学键合,且部分RGO还与CPD间形成了π-π堆叠。经计算,复合材料的主要强化机制为载荷传递,且界面强度有了大幅度的提高。因此,RGO/CPD-Cu复合材料中增强体在基体中的分散性问题以及增强体与基体间的界面结合问题都有所改善。
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