稀土改性石墨烯铜基复合材料的界面行为及摩擦学性能研究

Graphene has attracted tremendous scientific and technological attention because of its unique nanostructure and properties. It holds great promise for potential applications in many technological fields such as sensors, electronics,supercapacitors,fuel cells,nanocomposites,and hydrogen storage because of its special physical and chemical properties and excellent structural characteristics.However,the surface of the graphene present poor invasive with the matrix.Thus the graphene further research and application in copper based composites have been limited.In order to improve the interface combination of graphene and copper matrix,the surface modification is one of the most effective ways at present. In this project rare earth will be used to improve the interface properties of the graphene oxide and copper matrix. The mechanism of rare earth modified graphene will be discussed.The dispersion mechanism of graphene on copper matrix,graphene nucleation and growth mechanism and kinetics, formation mechanism and evolution law of composite interface,organization and defect will be studied. The relationship between organization and performance will be established. It can effectively control the microstructure and strength.The tribological properties of graphene copper matrix composites will be investigated.The friction and wear mechanism will be revealed and mathematical model of the friction coefficient will be established. This project will achieve the independent intellectual property rights of the preparation technology of copper based composites, and provide technical support for the development of space technology,electronic communications and transportation in our country.

由于石墨烯具有特殊的物理、化学性质以及优异的结构特性，在传感器、电子学、超级电容器、燃料电池、纳米复合材料、储氢材料等诸多领域显示出巨大的应用潜能，成为近年来的研究热点。但是，结构完整的石墨烯表面呈惰性状态，与基体的浸润性较差，限制了石墨烯在铜基复合材料中的进一步研究与应用。为了改善石墨烯与铜基体的界面结合能力，表面改性是目前最有效的途径之一。本项目利用稀土来改善氧化石墨烯与铜基体之间的界面结合性能，探讨稀土改性石墨烯的作用机理；研究石墨烯在铜基体中的分散机制、形核与生长机制、动力学规律、复合界面、组织和缺陷的形成机制与演化规律，建立复合组织与性能的关系，实现复合组织和结合强度的有效调控；研究石墨烯铜基复合材料的摩擦学性能，揭示其摩擦磨损机理，建立摩擦系数数学模型。形成具有自主知识产权的石墨烯铜基复合材料制备技术，为我国的空天技术、电子通讯及交通运输等领域的发展提供技术理论支持。

具有特殊物理、化学性质以及优异结构特性的石墨烯是各种复合材料的理想增强体，可使复合材料具有更加优异的性能，石墨烯在复合材料领域显示出巨大的应用潜能使其成为材料科学领域研究的热点对象。界面是复合材料中的增强相与基体联系的纽带，也是增强相发挥有效作用的桥梁，界面的结合性质对复合材料的性能有着重要影响。结构完整的石墨烯表面呈惰性状态，与基体的浸润性较差，界面结合不好，限制了石墨烯在金属基复合材料中的进一步研究与应用。基于以上原因，本项目系统研究了稀土改性剂的种类、浓度和浸润工艺对氧化石墨烯的润湿行为，润湿控制因素及其界面结构，探讨其润湿原理和规律，揭示了稀土改性石墨烯的作用机理，通过稀土改性后，氧化石墨烯的界面能及表面能降低，从而改善了氧化石墨烯的分散性。FT-IR结果显示，在557 cm-1氧化石墨烯产生了新的Ce-O键。XPS结果表明稀土元素Ce在改性过程中化合价发生了变化，氧化石墨烯中的氧元素的结合能向低场方向移动，在配位化学反应中氧元素获得电子。研究了石墨烯在铜基体中的分散机制、形核与生长机制、动力学规律、复合界面、组织和缺陷的形成机制与演化规律，建立了复合组织与性能的关系，实现了复合组织和结合强度的有效调控；研究了石墨烯铜基复合材料的摩擦学性能，揭示了不同试验条件下石墨烯铜基复合材料的摩擦磨损机理，建立摩擦系数数学模型其摩擦磨损机理。.在该基金项目的支持下，项目研究取得了较为丰富的理论成果，对于促进复合材料界面科学研究，丰富和发展石墨烯铜基复合材料摩擦学理论，具有重要的学术价值，项目研究期间共发表期刊论文15篇，其中SCI检索6篇，EI检索6篇。在技术应用方面，项目研究中也取得了一系列的发明专利，共申请发明专利7项，其中授权发明专利6项，形成具有自主知识产权的石墨烯铜基复合材料制备技术，为我国的空天技术、电子通讯及交通运输等领域的发展提供技术理论支持。