碳纳米管-石墨烯混合增强铜基复合材料的结构设计、力学及导电性能研究

Architectural design is an effective way to improve the comprehensive performance of composites. Copper matrix composites will be prepared through an improved molecular-level mixing process by using carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide (GO) as the hybrid reinforcements, which, hopefully, is to make the composite have unhomogeneous distribution of reinforcement and hierarchical structure, and make it have good comprehensive mechanical properties and conductivity. Research will focus on: (1) the influence of process parameters on the formation of network structure of CNT-GO hybrids; (2) during the preparation of composite powders, the effect of pH value, reaction temperature and stirring speed on the self-assembly process, size and microstructure of the reinforcement-rich phase; (3) the spatial distribution of the reinforcement-rich phase in the composite and its effect on the mechanical properties and conductivity of the composite. Observation and analysis will be carried out on: (1) evolution of the network structure of the hybrid with the volume ratio of CNTs to GO; (2) formation rule of the reinforcement-rich phase; (3) interaction between reinforcements and dislocations at the interface, and dislocation configuration at the interface. The results of this project will reveal both the formation mechanism of the reinforcement-rich phase and the strengthening and conduction mechanisms in metal matrix composite with hierarchical structure, and will also provide the experiment evidence and theoretical basis for the architectural design and performance optimization of metal matrix composites.

结构设计是提高复合材料综合性能的有效手段。本项目拟采用碳纳米管和氧化石墨烯混合物为增强体，结合改进的分子级共混工艺，制备增强体分布不均匀、具有层级结构的铜基复合材料，使其具有良好的综合力学性能和导电性能。分别研究（一）工艺参数对碳纳米管-石墨烯混合增强体网络结构形成的影响；（二）复合粉末制备过程中，溶液的pH值、反应温度和搅拌速度对增强体富集相自组装过程、尺寸和微观结构的影响；（三）复合材料中增强体富集相的空间分布特征及其对力学与导电性能的影响。观察与分析（一）混合增强体的网络结构随碳纳米管和石墨烯体积比变化的演变规律；（二）增强体富集相的形成规律；（三）界面处增强体与位错的交互作用方式及界面区的位错组态。揭示具有层级结构的金属基复合材料中（一）增强体富集相的形成机理；（二）受结构影响的复合材料的强韧化机制及导电机制，为金属基复合材料的结构设计及性能优化提供实验证据及理论基础。

项目围绕碳纳米相（CNF）增强铜基复合材料的制备、界面微观结构设计、性能优化与强化机制等方面开展了深入的研究。通过增强体结构设计，制备了CNT-GO混合增强体，在Cu基复合材料中实现了强的界面结合和有效的载荷传递，使复合材料获得了良好的综合力学性能。研究了功能化CNFs中的残余氧对复合材料界面结构的影响以及碳纳米管-还原氧化石墨烯（CNT-RGO）混合增强体的协同强化行为。结果表明，在界面处的贫氧区和富氧区，通过氧扩散分别原位形成了无序区和Cu2O纳米颗粒。提出了与氧含量和烧结温度有关的无序区和Cu2O的形成演化机制。经烧结后，CNT-RGO/Cu复合材料的抗拉强度显著高于CNT/Cu和RGO/Cu复合材料。基于相关强化模型，通过探讨Orowan强化机制与载荷传递机制之间的平衡关系，分析了CNT-RGO混合增强体的协同强化行为，明确了其在金属基复合材料（MMCs）中的协同强化机制。. 打破传统的通过原位反应生成界面碳化物的思路，将CNTs或GO预先磨碎并与钛粉混合，通过两者间的固相反应在完整的CNTs或GO表面生成纳米尺度的TiC界面相。通过调整界面处TiC的形貌和数量，实现了对复合材料力学性能的有效调节。特殊设计的界面结构使CNF与Cu基体间获得了较强的界面结合，并对复合材料的综合性能起到了决定性影响。结果表明，在界面处引入纳米尺度的TiC界面相后，CNF与Cu基体间的界面结合强度显著提高，不仅大幅提升了CNF的强化效率，还有利于协调CNF与Cu基体间的塑性变形，从而实现复合材料的抗拉强度和断裂延伸率的同时提高，并保持良好导电性能。本研究采用的方法在一定程度上解决了制约CNF载荷传递能力的瓶颈问题，可为其他体系的CNF增强MMCs的制备提供参考。