石墨烯增強銅基復合材料的研究進展

林正得, 舒圣程, 李傲, 吳明亮, 楊明陽, 韓鈺, 祝志祥, 陳保安, 丁一, 張強, 王強,戴丹

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石墨烯增強銅基復合材料的研究進展

林正得1,2, 舒圣程1,2, 李傲1,2, 吳明亮1, 楊明陽1,2, 韓鈺3, 祝志祥3, 陳保安3, 丁一3, 張強3, 王強4,戴丹1

(1. 中國科學院 寧波材料技術與工程研究所 表面工程事業部, 寧波 315201; 2. 中國科學院大學, 北京100049; 3. 全球能源互聯網研究院有限公司 先進輸電技術國家重點實驗室, 北京 102209; 4. 國網山西省電力公司, 太原 030001)

石墨烯具有超高的比表面積和優異的力學性能, 是銅基復合材料理想的增強體。傳統的粉末冶金工藝很難解決石墨烯在銅基體中的分散問題, 以及石墨烯與銅基體結合性差的難題。隨著近些年研究者對石墨烯-銅界面問題深入的探索, 一些新的制備工藝不斷出現。本文系統地介紹和對比了近幾年石墨烯增強銅基復合材料的制備工藝, 概述了關于石墨烯/銅復合材料力學性能的研究進展, 總結了石墨烯增強銅基復合材料力學性能的機理, 并對未來石墨烯增強銅基復合材料的研究重點進行了展望。

石墨烯; 銅基復合材料; 力學性能; 增強機理; 綜述

銅及銅合金具有優異的導電導熱性能, 良好的塑性、韌性與延展性, 廣泛應用于電子電氣行業、機械制造業等領域, 在現代工業體系中占有重要位置。但是傳統的銅及銅合金材料存在強度低、高溫性能差等缺點[1], 限制了銅及銅合金的進一步應用。隨著現代工業技術的高速發展, 對銅及銅合金的力學性能提出了更高要求。如何在銅及銅合金中引入合適的增強相制備高性能的銅基復合材料, 以及如何更好地發揮基體與增強相的協同作用, 成為研究者關注的熱點問題[2-5]。

在關于銅基復合材料的研究中, 多采用合金元素(如Ti、W、Ni等元素)[6-8]、碳纖維[9-10]、碳納米管[5,11-12]等作為增強相提升銅基復合材料的性能。使用合金元素作為增強相, 可以顯著提高銅基復合材料的力學性能, 但是會大幅度降低材料的導電、導熱性能[7-8]; 使用碳纖維作為增強相制備的銅基復合材料, 具有高導熱、高導電性能以及優異的耐磨損性能, 但是由于碳纖維與銅基體的界面潤濕性差, 使得碳纖維增強銅基復合材料的力學性能有大幅度的降低[5,10]。碳納米管對銅基體的力學性能有小幅度提高, 但是碳納米管制備難度大, 成本高, 碳納米管在銅基體中易團聚。而且在碳納米管增強銅基復合材料的拉伸斷面中經常發現大量處于拔出脫落狀態的碳納米管[11], 說明碳納米管與銅基體的結合狀態不夠牢固, 界面結合仍需進一步增強。因此, 選用新型增強相材料是提高銅基復合材料性能的關鍵。

石墨烯的發現[13]與大規模制備[14]為提高銅基復合材料的性能提供了新的解決方法。石墨烯是一種單層碳原子構成的二維納米材料, 具有優異的力學性能、電荷輸運性能以及導熱性能[15-16]。石墨烯作為銅基復合材料的增強相有其獨特的優勢, 例如, 化學穩定性[17]、高強度和剛度[18]、優越的導電性能和導熱性能[16]。但是, 由于石墨烯密度小、分散性差[19]、與熔融銅界面張力不同以及界面結合問題[20-21], 很難實現石墨烯在銅基材料中均勻分散以及石墨烯與銅的強界面結合。近年來, 石墨烯增強銅基復合材料的新工藝不斷出現, 本文將從石墨烯增強銅基復合材料的制備方法、力學性能等方面進行詳盡總結, 并對其未來發展趨勢進行展望。

1 石墨烯增強銅基復合材料的制備方法及力學性能

如何實現石墨烯在銅基體中的均勻分散, 形成強界面結合以及維持結構的穩定性, 是制備石墨烯增強銅基復合材料的關鍵問題, 選擇合適的制備方法尤為重要, 目前, 主要有粉末冶金法(Powder Meta-llurgy, PM)[22-23]、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)[24-25]、電化學沉積法(Elec-trochemical Deposition, ED)[26-27]、分子級混合法(Molecular-level Mixing, MLM)[28-30]等制備方法。表1為各種制備工藝的技術路線及其優缺點。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是指將增強相與金屬粉末混合后采用模壓或等靜壓預壓成型, 通過熱壓燒結(Hot- pressing, HP)、放電等離子燒結(Spark Plasma Sin-tering, SPS)或等離子活化燒結(Plasma Activated Sintering, PAS)得到金屬基復合材料的一種傳統方法[31], 也是目前較為成熟, 應用最為廣泛的金屬基材料制備工藝。為了使燒結體致密化, 研究者還會選用熱軋[32]、熱擠壓[33]等二次機械加工工藝對燒結體進行進一步處理。

Ponraj等[22]使用聚乙烯醇(PVA)對球型銅粉進行親水化處理, 然后將氧化石墨烯(GO)水溶液與經PVA處理的球型銅粉進行機械混合, 對得到的Cu-PVA-GO復合漿料進行高溫熱處理, 再對得到銅/石墨烯復合粉末進行冷壓成型得到銅/石墨烯復合塊體材料。當石墨烯添加量為2wt%時, 復合材料的抗壓強度達到234 MPa, 相比純銅樣品(190 MPa)提高23%, 硬度達到75HRB, 相對于純銅提升25%。氧化石墨烯由于良好的分散性而在粉末冶金法中被廣泛使用, 但是其后期還原過程難以控制, 且還原后石墨烯的結構與質量難以精確調控, 從而對石墨烯增強銅基復合材料的性能產生不利影響[22]。

表1 為各種制備工藝的技術路線及其優缺點

Li等[23]通過超聲處理懸浮在丙酮中的石墨烯片, 使石墨烯在丙酮中分散均勻后加入電解銅粉, 經磁力攪拌均勻后真空干燥并進行熱壓成型, 流程圖如圖1所示。當添加的石墨烯體積分數為2.5%時, 復合材料的抗彎強度達到 441 MPa, 維氏硬度為27.8。由于石墨烯與銅基材料機械混合, 石墨烯分散不均勻, 石墨烯容易團聚。而且, 石墨烯與銅基體表面結合形式為范德華力, 結合強度較低, 最終導致粉末冶金法制備的石墨烯增強銅基復合材料的綜合性能與理論相差較大[21,34-35]。

用粉末冶金法制備的銅石墨烯塊體樣品, 石墨烯可以作為一種二維屏障, 在晶界處限制位錯的運動, 從而對力學性能產生積極的影響。但是, 增加石墨烯的添加量時, 很難避免石墨烯的團聚, 從而對復合材料的力學性能產生負面影響[36]。Chu等[37]發現, 添加石墨烯會抑制熱壓過程中銅晶粒的長大, 從而達到細晶強化的目的, 與純銅相比, 屈服強度提升達到114%, 楊氏模量提高34%。

1.2 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法通常以甲烷等含碳有機物[38-39]為碳源, 以金屬基體(Cu或Ni)[40]為催化劑, 在金屬基體表面催化生長石墨烯, 制備流程如圖2所示。與粉末冶金法相比, 該法工藝復雜, 但具有過程可控、石墨烯與銅基體界面結合良好等優點[25]。Rho等[24]使用甲烷作為碳源, 在平均粒徑為5 μm的銅粉表面通過CVD工藝生長石墨烯, 得到了一種三維多孔石墨烯銅復合材料, 孔隙率達到 35%, 在電極材料與導熱材料中有廣泛的應用前景。

圖1 粉末冶金法制備石墨烯增強銅基復合材料的流程圖[23]

圖2 化學氣相沉積法制備石墨烯增強銅基復合材料的示意圖[25]

Chen 等[25]采用球磨法(Ball Milling, BM)將PMMA與銅粉均勻混合, 以PMMA作為固態碳源, 在銅粉表面通過CVD工藝生長石墨烯, 經真空熱壓燒結得到石墨烯銅塊體材料。這種石墨烯銅復合塊體, 石墨烯含量只有 0.5wt%, 屈服強度卻達到 290 MPa, 約為純銅的 2.3倍, 抗拉強度達到308 MPa, 約為純銅的 1.36 倍。在銅粉表面通過CVD法生長石墨烯, 可實現石墨烯與銅的均勻混合, 與粉末冶金法相比較, 石墨烯與銅粉表面結合緊密, 石墨烯的存在有效阻礙了銅晶粒中位錯的運動, 因而力學性能提升幅度較大。此外, 通過調控CVD工藝參數可對石墨烯層數進行精確控制[41-42]。但是, CVD法也存在石墨烯層易磨損、高溫下銅晶粒長大的問題。

1.3 電化學沉積法

電化學沉積法是采用脈沖交流電源或直流電源使鍍液中的金屬離子還原并沉積在基體表面的化學還原過程。Pavithra 等[26]使用脈沖交流電化學沉積法, 硫酸銅溶液作為鍍液, 制備出了硬度極高(~205 GPa)的石墨烯銅復合薄片, 彈性模量可達~137 GPa。圖3為電化學沉積示意圖, 先通過電化學剝離法制備表面帶有大量官能團的氧化石墨烯, 然后在室溫下使用超聲波將制備的氧化石墨烯均勻地分散在硫酸銅電解液中。水解后的氧化石墨烯帶負電, 隨著脈沖電流周期性地靠近和遠離銅電極保證了氧化石墨烯在銅基體的均勻分布。電化學沉積法可以通過調控電流強度、持續時間和脈沖周期等參數, 對得到的復合材料性能進行調控。而且, 該方法制備的復合材料中石墨烯分散均勻, 有效抑制了石墨烯的團聚, 電性能可達到與純銅相當的水平; 該方法制備的石墨烯/銅強度范圍提升至2.1~ 2.5 GPa, 與用該方法處理的純銅(1.4~1.6 GPa)相比, 強度增強了 96%; 同時, 該法制備的石墨烯/銅的彈性模量為127~137 GPa, 比起該法制得的銅片(~116 GPa)有所提升[26]。與CVD工藝相比, 電化學沉積反應溫度較低, 避免了CVD過程中晶粒長大的問題。

圖3 電化學沉積法制備石墨烯增強銅基復合材料示意圖[26]

1.4 分子級混合法

分子級混合法是通過Hummers法制備氧化石墨烯(GO), 將氧化石墨烯均勻分散于Cu2+溶液中, Cu2+與GO的含氧官能團之間形成化學鍵, 加入氫氧化鈉溶液形成CuO/GO, 然后使用氫氣還原CuO/ GO形成Cu/RGO粉末[28], 圖4為分子級混合制備石墨烯增強銅基復合材料流程。最后通過等離子放電燒結得到石墨烯銅復合塊體材料。Hwang等[28]采用分子級混合法與SPS燒結制備的銅石墨烯 復合材料的屈服強度達到284 MPa, 彈性模量為131 GPa, 分別比純銅提高了80%和30%。這是因為分子級混合法基于溶液混合, 金屬離子更均勻地吸附于石墨烯薄片表面, 有效抑制了石墨烯團聚, 石墨烯分散的均勻性遠遠優于直接混合與球磨混合[28]; 放電等離子燒結可以較好地改善石墨烯與銅的接觸界面, 石墨烯與銅結合強度更高[43], 從而得到高性能的石墨烯銅復合材料。

1.5 累積疊軋焊

有研究者采用累積疊軋焊(Accumulative Roll Bonding, ARB)的方法提升石墨烯銅復合材料的力學性能[44-45]。ARB工藝是先制得分散均勻的石墨烯納米片懸浮液, 然后通過噴槍將懸浮液均勻地噴涂在表面光滑且無氧的兩塊銅條上。再通過輥軋機將兩塊銅條疊軋在一起之后, 再將制得的樣品切成兩塊大小相似的銅板, 然后重復上述步驟5~6次后就得到了石墨烯銅復合材料。Liu等[44]采用該方法將石墨烯銅復合材料的抗拉強度提升至 496 MPa, 比普通純銅樣品提升了 275 MPa, 這主要是由于加工過程中的應變硬化以及細晶強化。但是該方法會導致材料的塑性大幅度降低, 僅為普通銅樣品的10%。表2為石墨烯材料增強銅基材料的力學性能的相關數據。

2 石墨烯增強銅基材料的技術難點與機理分析

2.1 石墨烯的分散性

實現石墨烯在銅基體中的均勻分布是提高石墨烯增強銅基復合材料力學性能的主要因素[46]。相反地, 石墨烯在銅基體的團聚則會大大降低復合材料的力學強度。因此, 石墨烯均勻分散于基體中是獲得具有理想力學性能的復合材料的前提。為解決石墨烯含量較高和分散程度較高時團聚的問題, 研究人員采取了很多不同的策略, 包括改變加工路線[47-48],優化工藝參數[49], 石墨烯表面改性[50], 金屬修飾和表面覆蓋(Ni等金屬)等[8]。如果按分散介質來劃分, 石墨烯的分散方法主要有固相分散、液相分散以及固液相結合的分散方法。固相分散中, 粉末冶金是一種能夠高效率地使石墨烯均勻分散在金屬基粉末中的方法, 它是通過高能混合降低石墨烯與銅粉表面能的差異, 從而抑制了石墨烯的團聚。但同時機械混合會在混合過程中破壞石墨烯的完整度, 引入大量的缺陷, 從而降低了石墨烯對于基體的強化效率。液相分散則是利用高能超聲將石墨烯分散在水、乙醇等溶液中, 之后再與銅粉混合。但高能超聲波處理不可避免地也會導致缺陷的形成, 所以要限制超聲處理的時間。為了取得更好的分散效果, 研究人員將固相分散和液相分散相結合, 先通過超聲波將石墨烯分散在溶液中, 然后通過球磨將石墨烯和銅粉混合。這種固液相結合的方法不僅保證了石墨烯的均勻分散, 而且增強了石墨烯與銅粉的結合, 從而強化了增強效率。

圖4 分子級混合法制備石墨烯增強銅基復合材料示意圖[28]

表2 石墨烯增強銅基復合材料的力學性能

2.2 石墨烯的潤濕性與形成強界面結合

當外加應力能夠有效地傳遞到銅基體中的石墨烯上時, 石墨烯增強銅基復合材料的力學強度就會增強, 這要求石墨烯和銅基體之間有強的界面結 合[6]。強的界面結合保證了適當的載荷轉移, 弱的界面結合會導致受力時裂紋的產生和復合材料的提前失效。Bartolucci 等[51]認為石墨烯金屬基復合材料在熱壓過程中缺陷處會形成碳化物界面, 從而降低石墨烯對基體的強化效率。為了改善石墨烯與金屬基體的結合, 許多研究使用金屬離子修飾的還原氧化石墨烯作為增強相。使用金屬離子修飾的還原氧化石墨烯代替石墨烯納米片來增加銅基體的強度, 一方面是由于金屬離子的存在使得還原氧化石墨烯不容易團聚, 另一方面金屬離子會增強還原氧化石墨烯與銅基體的鍵合界面, 這顯著增加了復合材料的強度。除此之外, 研究人員通過使用氧化石墨烯還獲得了界面良好的石墨烯金屬基復合材料[52]。Peng 等[53]認為銅基和氧化石墨烯的還原所產生的殘留氧基可以形成強大的共價鍵, 從而顯著提高納米復合材料的強度。

研究人員在制備石墨烯/銅復合材料時, 尤其是在與金屬粉末機械混合和高溫燒結過程中, 非常注意保持石墨烯獨特的晶格結構與缺陷濃度。這是由于石墨烯所有的優異性能都來自于其獨特的結構, 任何結構的缺陷都會影響到石墨烯作為增強體的力學增強效果[54]。另外, 缺陷的產生還會引入空位, 從而發生化學反應導致石墨烯增強效果的大幅下降。Cui等[55]研究發現石墨烯結構中缺陷的增多會降低其負載能力, 并嚴重地影響石墨烯/銅復合材料的力學強度。研究人員試圖通過工藝設計以及優化工藝參數來解決此類問題。Li等[56]采用一步熱反應和SPS工藝可以在制備復合材料的過程中很好地保證石墨烯結構的完整度。

2.3 石墨烯增強銅基復合材料的強韌化

由于石墨烯固有的優異力學性質, 研究人員通過不同工藝制備的石墨烯銅基復合材料的強度得到非常明顯的提高。但是隨著金屬材料強度的提高, 塑性和韌性通常會下降, 強度-韌性呈明顯的倒置關系。在石墨烯銅基復合材料中, 石墨烯作為增強相使得銅基體的強度顯著增大, 但是其韌性和延展性卻大大降低, 這也是制約石墨烯銅基復合材料實際工業應用的主要瓶頸之一。近年來, 層狀結構由于構型相對簡單、制備方法多樣且能實現金屬基復合材料性能指標的最優化配置而備受關注。其中, Xiong 等[57]受到仿生貝殼結構啟發, 通過化學途經復制冷杉木結構先制備出層狀多孔銅結構, 然后浸滲氧化石墨烯溶液, 制備出還原氧化石墨烯銅基復合層狀材料, 展示出高強度和高韌性, 如圖5所示。

除此之外, Zhang等[58]通過原位合成法制備了一種具有三維石墨烯網格/銅構型(3D GN@Cu@Cu)的石墨烯增強銅基復合材料。該工藝首先在原位上合成三維石墨烯網格/銅粉末(3D GN@Cu), 使得納米銅顆粒緊密地結合在三維石墨烯網格粉末上。然后, 進一步地在三維石墨烯網格粉末上包裹銅, 形成具有3D GN@Cu@Cu結構的石墨烯/銅粉末, 最后熱壓成型, 如圖6所示。實驗結果表明此種工藝獲得的石墨烯增強銅基復合材料具有高強度和強韌性。

圖5 具有仿生貝殼結構的石墨烯銅基復合材料的制備過程示意圖[57]

圖6 三維石墨烯網格/銅復合材料的制備過程示意圖[58]

2.4 石墨烯增強機理

大量實驗研究驗證了石墨烯對銅基材料力學性能的增強作用, 石墨烯增強銅基體的機制也引起了廣泛關注。研究人員定義強化效率以量化增強效果, 增強相的增強效果與值成正比, 其表達式如式(1)[28]:

=(c-m)/rm(1)

其中c和m分別代表復合材料的屈服應力和金屬基體的屈服應力,r代表增強相的體積分數。Xiong等[57]通過預先成型浸漬工藝制備出石墨烯/銅珍珠層狀復合材料, 石墨烯的強化效率大約為100~ 210, 遠遠高于陶瓷顆粒[59]、碳纖維[5]、碳納米管[11]等增強相。石墨烯具有高值, 一方面在于石墨烯的固有性質(優異的力學性能、獨特的二維結構所擁有的超高的比表面積), 另一方面是通過改進工藝實現了石墨烯的均勻分布。復合材料一般由基體組元與增強體或功能體組成, 利用組分之間的乘積效應(協同作用)、系統效應、誘導效應、共軛效應等來提高材料的性能[60]。目前, 石墨烯增強銅基復合材料的增強機制主要包括載荷轉移、Orowan強化、細晶強化等[60]。值得注意的是, 各種增強機制并不是單一作用的, 而是根據工藝條件的不同協同配合, 從而對基體達到增強效果。

載荷轉移機制是當對復合材料施加應力時, 通過石墨烯與銅基體的界面作用, 把載荷傳遞到強度更高的石墨烯增強相上。因此, 銅基體與石墨烯之間形成良好的界面結合力, 會大幅提升載荷轉移的能力, 從而增強基體的力學性能。在已有的研究中, 基于載荷轉移機制的Shear-lag模型主要用于預測短纖維增強金屬基復合材料的力學性能[61]。標準Shear-lag模型假設在基體和增強相的界面上沒有發生滑移, 纖維會重新分配材料中的應力, 同時載荷將從基體轉移到強度較大的纖維上[62]。整個過程有兩個重要的推論: (1)在基體–纖維界面上存在剪切應力; (2)增強相負載了大部分的應力, 而強度較弱的基體承擔了大部分的應變。近幾年, 研究者發現可以使用修正的Shear-lag模型預測石墨烯增強銅基納米復合材料的力學性能[63]。根據修正的Shear-lag模型, 石墨烯復合材料的有效屈服強度可以用式(2)表示:

c=m(1+) (2)

其中m是基體的屈服強度,和分別是石墨烯的體積分數和長寬比。由上述公式得出的理論數值與實驗數值幾乎一致, 這一結果在驗證載荷轉移機制存在的同時, 提供了一種預測石墨烯/金屬復合材料強度的方法。

Orowan強化是指在復合材料受應力變形過程中, 石墨烯對銅基體的物理分隔阻礙位錯運動, 使得位錯在石墨烯附近堆積分布, 阻止了位錯的進一步延伸, 從而提高了材料的強度[64]。這種強化過程在納米級別的復合材料中很容易觀察到, 位錯密度是增強效率的主要影響因素。

細晶強化是指通過晶粒粒度的細化來提高金屬的強度, 多晶體金屬的晶粒邊界通常是大角度晶界, 相鄰的不同取向的晶粒受力產生塑性變形時, 部分施密特因子大的晶粒內位錯源先開動, 并沿一定晶面產生滑移和增殖[63]?；浦辆Ы缜暗奈诲e被晶界阻擋, 這樣一個晶粒的塑性變形就無法直接傳播到相鄰的晶粒中去, 且造成塑變晶粒內位錯塞積。目前, 很多研究人員都意識到可以通過向金屬或合金基體中引入納米級增強相實現晶粒細化, 從而提升基體的強度[65]。晶粒越細, 晶界面積越大, 材料在受力變形過程中, 滑移的位錯在晶界處越容易被阻擋, 產生塞積。在銅基體中均勻分散的石墨烯納米片可以有效地釘扎晶界附近的位錯, 造成位錯堆積。所以, 在材料燒結成型過程中, 石墨烯的存在可以抑制晶粒長大, 有效地阻礙位錯運動和裂紋擴展。細晶強化的效果可以用Hall-petch公式[60]描述, 晶粒的平均粒徑越小, 材料的屈服強度就越高。此外, 石墨烯對于銅基體的增強機制還有熱錯配強化, 它主要是由于石墨烯與銅基體的熱膨脹系數差異過大所導致的。石墨烯的熱膨脹系數約為10–6K–1, 而銅的膨脹系數為2.4×10–5K–1, 比石墨烯高一個數量級。在燒結過程中, 兩相的熱變形差異會在銅基體中產生高密度位錯, 從而提高復合材料的強度[66]。但是, 當石墨烯含量過高時, 石墨烯將分布在晶界處, 阻礙燒結過程中相鄰顆粒間的結合, 從而降低材料的致密化程度, 使材料的硬度下降。此外, 當石墨烯含量增加到一定值后時, 基體中單位體積內的石墨烯片層數目增多, 易于在層間范德華力作用下團聚, 使材料致密度降低, 硬度下降[64]。

對于銅基復合材料而言, 導電性能也是影響其綜合性能的關鍵。根據晶體理論[67], 材料內部電阻的產生主要由于晶格完整性遭到破壞。石墨烯的加入破壞了金屬銅晶格體系的完整性, 使其出現嚴重的晶格畸變, 這大幅增加了電子波的散射作用, 從而使電阻增加, 電導率下降。同時, 石墨烯的彌散分布阻礙了材料致密化, 使孔隙率增加、密度降低, 進而使電導率降低。此外, 石墨烯的加入還有效阻礙了晶粒長大, 使晶界面積增大, 同時也增加了其對電子的散射作用, 導致電導率下降。因此, 如何合理控制石墨烯在金屬基體中的分布, 保證復合材料的致密性是保證石墨烯增強銅基復合材料導電性能的關鍵。

3 結束語

石墨烯作為銅基復合材料的增強相, 對石墨烯/銅復合材料的力學性能提升明顯。如何實現石墨烯在銅基體中比較好的分散均勻性, 以及增強石墨烯與銅基體的界面結合強度, 都會對復合材料的物理性能產生較大影響。因此, 展望未來, 石墨烯增強銅基復合材料的后續研究, 應重點關注以下幾個方面:

1) 通過工藝優化, 精確控制石墨烯在銅基體中的分散與分布形態, 消除團聚現象, 以避免復合材料中生成“弱區”。同時, 深入研究石墨烯在銅基體中的分布微觀形貌對復合材料性能的影響。

2) 基于制備石墨烯的工藝路線不同, 石墨烯本身的層數、尺寸、缺陷程度相異, 其物理性能也會大不相同。應針對不同復合材料的應用工況, 選擇合適的石墨烯材料與銅基體復合, 以達到優化性能的目的。

3) 提高石墨烯與銅基體的界面結合強度, 有效解決石墨烯與銅基體的潤濕性問題, 進一步提高復合材料的物理性能, 在提高復合材料力學性能的同時, 銅基體優異的導電、導熱特性不會明顯下降。

4) 致力于降低高溫燒結或熱壓過程后復合材料的孔隙率, 提高致密度, 這對復合材料的總體性能有顯著影響, 目前文獻較少有這方面的報導。

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Preparation and Mechanical Property of Graphene-reinforced Copper Matrix Composites

LIN Zheng-De1,2, SHU Sheng-Cheng1,2, LI Ao1,2, WUMing-Liang1, YANG Ming-Yang1,2, HAN Yu3, ZHU Zhi-Xiang3, CHEN Bao-An3, DING Yi3, ZHANG Qiang3, WANG Qiang4, DAI Dan1

(1. Division of Surface Engineering and Remanufacturing, Ningbo Institute of Industrial Technology, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology, Global Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China; 4. State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001, China)

Graphene, which has two-dimensional carbon single atomic layer, attracts great attention due to its superb mechanical, electrical and thermal properties. In addition to its excellent mechanical properties, a large surface area (about 2600 m2×g–1) makes it an ideal reinforcement for copper-based composites. However, graphene owns a low density (2.2 g×cm–3), while the density of copper is about 8.9 g×cm–3. The traditional powder metallurgy process is difficult to solve the problem of uniform dispersion of graphene in the copper matrix and the poor bonding strength between graphene and copper due to the huge density difference between copper and graphene. With the in-depth exploration in the issue of graphene/copper interface in recent years, some novel preparation processes and strengthening mechanisms were proposed and demonstrated. This review systematically introduces and compares the recently-developed preparation processes of graphene-reinforced copper composites, also summarizes the mechanism of mechanical enhancement in graphene-reinforced copper matrix composites.

graphene; copper matrix composites; mechanical property; strengthening mechanism; review

TG146

A

1000-324X(2019)05-0469-09

10.15541/jim20180393

2018-09-03;

2018-11-22

國家電網公司科技項目(SGRIDGKJ[2016]795)

Science and Technology Project of State Grid Corporation (SGRIDGKJ [2016]795)

林正得(1976-), 男, 研究員. E-mail: linzhengde@nimte.ac.cn

戴丹, 高級工程師. E-mail: daidan@nimte.ac.cn