石墨烯增强铜基复合材料的层状复合构型设计及构-效作用机制

Graphene has been recognized as a promising reinforcement for metal matrix composite due to its ultrahigh intrinsic strength and elastic modulus, excellent conductivity and thermal conductivity as well as large specific surface area. The key to fabricate graphene reinforced metal matrix composites with high performance is to achieve uniform dispersion of graphene and improve the interfacial bonding strength. Besides, in view of its unique two-dimensional structure and the anisotropy of properties, increasing the uniformity of the orientation of graphene in the matrix will be more conducive to the full realization of its strengthening ability. It was found that the laminated/oriented graphene exhibited excellent strengthening effect in the metal matrix, and the electric, thermal and toughening properties of the composites could be even improved synchronously. Focusing on how to improve the orientation of graphene arrangement in metal matrix, restrain its agglomeration and obtain good interface, this paper will use surface chemical modification, shape confinement and powder metallurgy technology to simultaneously optimize the distribution, orientation and interface of graphene in copper matrix. The effect of micro-laminated composite configuration on mechanical, thermal and electrical properties will be investigated. The effect mechanism will be also clarified. The research can provide a new idea for the design of the next generation of metal matrix composites.

石墨烯的本征强度和弹性模量极高，并兼具良好的导电导热性以及较大的比表面积，是金属基复合材料中极具应用前景的增强体。实现石墨烯均匀分散与提高界面结合强度一直是制备高性能石墨烯增强金属基复合材料的关键。鉴于其独特的二维结构和性能的各向异性，提高石墨烯在基体中排列取向的一致性将更有利于充分发挥它的增强潜力。前期研究发现叠层/取向分布的石墨烯在金属基体中显示了优异的强化效果，能够实现电、热及强韧性的多功能协调优化。围绕如何在金属基体中提高石墨烯排列取向性、抑制其团聚同时获得良好界面的问题，本课题提出基于表面化学改性、形状约束和粉末冶金技术结合的新方法，对石墨烯在铜基体中的分布、取向和界面等因素进行同步优化，揭示层状复合构型设计对力学、热学、电学等性能的影响规律，阐明复合构型对综合性能（构-效）的作用机制，为结构-功能协同一体化的新一代金属基复合材料的设计提供新思路。

石墨烯增强铜基复合材料在高速交通、航空航天等领域有着广阔的应用前景。石墨烯在金属基体中的分散均匀性、结合界面强度及其分布取向性是决定石墨烯增强金属基复合材料性能的关键因素。本项目根据仿生构型提出一种基于表面化学改性、形状约束和粉末冶金技术结合的新方法制备石墨烯/铜叠层复合材料，在提高石墨烯排列取向性的同时抑制其团聚并获得结合良好的界面。对石墨烯在基体中的分布、取向和界面等因素进行同步优化，揭示复合构型设计对力学、电学、摩擦磨损等性能的影响规律及作用机制。研究结果表明：（1）通过表面化学镀的方法可以在石墨烯粉末表面制备得到一定厚度的镀层，随着施镀时间的延长，镀层厚度有所增加。（2）球磨处理可有效将一定量的镀后石墨烯均匀分散于基体粉末中，并使粉末呈片状形态。（3）片状粉末在模具装载过程中容易实现叠层排布，烧结后复合材料的微观组织为层状，石墨烯排列取向一致性较高，且界面结合良好。（4）粉末尺寸参数对石墨烯/铜复合材料的力学性能、导电性能及摩擦磨损性能有显著影响。当铜粉径厚比为100，石墨烯径厚比分别为1200（GNPs-1）、3000（GNPs-2）、16000（GNPs-3）和40000（GNPs-4）且含量均为10 vol.%时，GNPs-1/Cu复合材料的拉伸强度为209MPa，比Cu基体高约10%。采用GNPs-2时，复合材料拉伸强度进一步提高到249 MPa。当添加GNPs-3后，拉伸强度下降到194MPa，应变仅为3.9%。选择GNPs-4时，复合材料拉伸强度和应变分别增加至219 MPa和6.4%。石墨烯/铜层状复合材料的成功制备，有利于石墨烯在金属基体中的均匀分散、定向排布，形成结合性能较好的复合材料界面，有利于提高复合材料在特定方向上的综合性能。