高强度微观纳米层状结构石墨烯铜复合材料的自组装制备和力学及变形行为研究

Recent research has proved that a strong interface connection could be produced between graphene and copper with the help of chemical groups on graphene surface, so graphene can act as an ideal reinforcement for composites. However, the strength of graphene/copper composites produced is not high as expected. Based on our recent experimental results, this project aims to improve the strength of graphene/copper composites. The project will solve two problems: the control of chemical groups on the surface of graphene and the preparation of graphene/copper composites with a nacre-like nano-layered microstructure. We will develop the method to control the stability and types of the chemical groups on graphene, obtain a strong connection between graphene and copper; We will exploit self-assembled preparation method to produce graphene/copper salt with nano-layered structure based on molecular level mixing; graphene/Cu composites will be produced by powder metallurgy technology. The relationships between graphene microstructure and composite strength and deformation capacity will be clarified. Research in this area has important significance to improve the performance of graphene/Cu composites and has a positive reference value for the development of other kinds of graphene reinforced metal matrix composites.

现有研究证实石墨烯能够通过其表面化学基团与铜形成强界面结合，因此石墨烯是铜基复合材料理想的增强体，但目前开发的石墨烯增强铜基复合材料的力学性能普遍远低于预期。本项目以课题组最新研究结果为基础，以提高石墨烯/铜复合材料力学强度为目标，有针对性地解决石墨烯表面基团调控与仿珍珠质微观纳米层状结构石墨烯/铜复合材料制备等关键问题，研究石墨烯表面化学基团的稳定性和基团种类调控方法，实现石墨烯-铜界面良好结合，开发基于分子级混合方法的石墨烯-铜盐纳米层状结构自组装制备方法，利用粉末冶金技术制备石墨烯/铜复合材料，阐明石墨烯微观结构与复合材料强度和变形能力的关系。这方面的研究成果对提升复合材料性能具有重要指导意义，对新型石墨烯增强金属基复合材料的开发有积极借鉴价值。

随着航空、航天、机械、电子、轨道交通等现代工业领域的飞速发展，对高强、高导电（热）材料需求日益强烈，具有优异力学和其它综合性能的石墨烯增强金属基复合材料成为材料领域的重要品种和研究热点之一，如何制备高性能石墨烯增强铜基复合材料具有重要意义。.本项目以提高石墨烯/铜复合材料力学强度为目标，有针对性地解决石墨烯表面基团调控与仿珍珠质微观纳米层状结构石墨烯/铜复合材料制备等关键问题，研究石墨烯表面化学基团的稳定性和基团种类调控方法，实现了石墨烯表面化学基团的可控修饰，阐明了反应温度和pH值的对复合材料多级微观层状结构的自组装机理。.开发出基于分子级混合方法和原位复合法的层状结构复合材料制备方法，利用粉末冶金技术制备石墨烯/铜复合材料，阐明石墨烯微观结构与复合材料强度的关系，系统的研究了不同温度、不同轧制比等条件下轧制变形对复合材料组织结构、织构和性能的影响规律。通过调控复合材料的多级微观组织结构，复合材料的抗拉强度最高达748MPa。轧制过程中基体中的石墨烯主要经历断裂、定向排列和薄化三个过程。石墨烯的薄化可能是由热轧制变形过程中石墨烯与铜基体界面处形成的较强的剪切应变导致。轧制温度为500℃时有助于促进铜的表面催化作用，提高石墨烯的质量，改善石墨烯和铜基体的界面结合，明显改善烧结态复合材料的拉伸强度和延伸率。 .本研究整体按照研究计划进行，研究实现了石墨烯表面化学基团的可控修饰；研究分子级混合过程中多级微观层状结构形成机理与主要影响因素；阐明石墨烯/铜复合材料微观层状结构和变形与材料力学性能的关系。全面完成了预定的研究内容。.研究成果对提升石墨烯/铜复合材料性能具有重要指导意义，对新型石墨烯增强金属基复合材料的开发有积极借鉴价值。相关研究成果申请了系列专利，形成具有自主知识产权的纳米复合材料新技术，在我国石墨烯增强铜基复合材料的知识产权保护具有现实意义。