石墨烯增强铜基复合材料强度及机理研究_王军.pdf

第4 4卷第1期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.12 0 2 3年2月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yF e b.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 1-0 0 5 8-0 9石墨烯增强铜基复合材料强度及机理研究王 军1,2,李林聪1,王天顺1,王会霞1,2,张 亮1,2,朱金广3(1.河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8;2.河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄 0 5 0 0 1 8;3.河北省低温罐车技术创新中心,河北衡水 0 5 3 1 0 0)摘 要:为了提升金属基复合材料的力学性能,采用F S P(f r i c t i o ns t i rp r o c e s s i n g)方法制备铜/石墨烯复合材料,通过金属显微组织观察试验和力学试验对试样进行分析,探究搅拌工具转速和石墨烯添加量对复合材料微观组织特征、抗拉强度的影响规律,并对复合材料的强化机理进行研究。结果表明,石墨烯对铜基体的作用主要体现在载荷传递和阻碍铜基体中的位错运动和晶界长大方面,随着石墨烯的引入,焊核区晶粒发生了明显细化;晶粒细化的原因是搅拌工具的机械搅拌作用和晶粒再结晶过程中石墨烯对晶粒长大产生了阻碍作用;与母材相比,铜/石墨烯复合材料的抗拉强度提升了5%,最高可达2 7 7.4 9MP a。因此,采用F S P方法可制备性能良好、石墨烯分布均匀的铜/石墨烯复合材料,新方法有效提升了铜合金材料的力学性能,可为复合材料的广泛应用提供理论基础和技术参考。关键词:复合材料;F S P;铜;石墨烯;力学性能中图分类号:T B 3 3 1 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 7 收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 4;修回日期:2 0 2 2-0 9-2 2;责任编辑:张士莹基金项目:河 北 省 研 究 生 创 新 资 助 项 目(C X Z Z S S 2 0 2 0 0 9 7);国 家 自 然 科 学 基 金(5 1 7 7 5 0 0 7);河 北 省 高 等 学 校 科 学 技 术 研 究 项 目(Z D 2 0 1 8 0 6 0);河北省重点研发计划项目(2 0 3 5 1 0 0 2 D)第一作者简介:王 军(1 9 6 8),男,河北香河人,教授,博士,主要从事先进连接技术、焊接自动化、搅拌摩擦焊等方面的研究。通信作者:王会霞副教授。E-m a i l:h e b u s t w a n g h u i x i a 1 6 3.c o m王军,李林聪,王天顺,等.石墨烯增强铜基复合材料强度及机理研究J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(1):5 8-6 6.WAN GJ u n,L IL i n c o n g,WAN GT i a n s h u n,e t a l.S t u d yo ns t r e n g t ha n dm e c h a n i s mo fg r a p h e n e-r e i n f o r c e dc o p p e rm a t r i xc o m p o s i t e sJ.J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(1):5 8-6 6.S t u d yo ns t r e n g t ha n dm e c h a n i s mo fg r a p h e n e-r e i n f o r c e dc o p p e rm a t r i xc o m p o s i t e sWANGJ u n1,2,L IL i n c o n g1,WANGT i a n s h u n1,WANG H u i x i a1,2,Z HANGL i a n g1,2,Z HUJ i n g u a n g3(1.S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 1 8,C h i n a;2.H e b e iK e yL a b o r a t o r yo fM a t e r i a lN e a r-N e tF o r m i n gT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 1 8,C h i n a;3.H e b e iL o w-T e m p e r a t u r eT a n kC a rT e c h n o l o g yI n n o v a t i o nC e n t e r,H e n g s h u i,H e b e i 0 5 3 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e,t h ec o p p e r-g r a p h e n ec o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yF S P(f r i c t i o ns t i rp r o c e s s i n g)m e t h o d.T h e s a m p l e sw e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h em e t a lm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o nt e s t a n dm e c h a n i c a l t e s t,t h ee f f e c t so f a g i t a t i o ns p e e da n dt h e a m o u n t o f g r a p h i t eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d t e n s i l e s t r e n g t ho f t h e c o m p o s i t e s第1期王 军,等:石墨烯增强铜基复合材料强度及机理研究w e r e i n v e s t i g a t e d,a n d t h e s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo f t h ec o m p o s i t e sw a ss t u d i e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee f f e c to fg r a p h e n eo nc o p p e rm a t r i x i sm a i n l yr e f l e c t e di nl o a dt r a n s f e ra n dh i n d e r i n gd i s l o c a t i o nm o v e m e n ta n dg r a i nb o u n d a r yg r o w t hi nc o p p e rm a t r i x.W i t ht h e i n t r o d u c t i o no fg r a p h e n e,t h eg r a i n i nt h en u g g e ta r e ah a sb e e ns i g n i f i c a n t l yr e f i n e d.T h er e a s o nf o rg r a i nr e f i n e m e n t i s t h em e c h a n i c a l s t i r r i n go f t h e s t i r r i n gh e a da n d t h e o b s t r u c t i o no f g r a p h e n e t og r a i ng r o w t hd u r i n g r e c r y s t a l l i z a t i o n.T h e t e n s i l e s t r e n g t ho ft h e c o p p e r-g r a p h e n e c o m p o s i t e s i s 5%h i g h e r t h a nt h a t o f t h eb a s em e t a l,u pt o2 7 7.4 9M P a.T h ec o p p e r-g r a p h e n ec o m p o s i t e sw i t hg o o dp r o p e r t i e s a n du n i f o r md i s t r i b u t i o no fg r a p h e n ec a nb ep r e p a r e db yF S Pm e t h o d,w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o p p e r a l l o ya n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i sa n d t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r i t sw i d e a p p l i c a t i o n.K e y w o r d s:c o m p o u n dm a t e r i a l;F S P;c o p p e r;g r a p h e n e;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 近年来,以碳纤维、碳纳米管、石墨烯等为代表的碳材料被广泛应用到复合材料的制备中1-5。在所有的碳材料中,石墨烯的出现相对较晚,它是由碳原子紧密堆积而成的单层六边形结构,是构建其他碳材料的最基本单元,每个碳原子之间以s p2杂化的方式连接,键长约为0.1 4 1n m,碳原子之间形成键从而使得晶格结构呈六边形,且含有可以自由移动的电子6。石墨烯具有优良的力学性能7-1 0,强度可达1 3 0G P a,是提升金属材料性能的理想添加相。目前,制备金属基复合材料的方法有很多,可根据金属基体的性质选择不同的制备方法。按照金属基体的状态,可将制备过程分为非固态过程和固态过程。非固态过程包括搅拌铸造、喷射沉积、原位反应等1 1-1 4;固态过程则以粉末冶金1 5、物理气相沉积1 6-1 8为主。例如:S A L V O等1 9采用粉末冶金方法制备了高电导率的铜/石墨烯复合材料;HW A N G等2 0采用分子水平混合法制备石墨烯/铜复合材料,杨氏模量和抗拉强度分别提升了3 0%和8 0%;WU等2 1采用化学气相沉积方法制备出了抗氧化性优于纯铜的铜/石墨烯复合材料。研究表明,现有的这些制备方法制备过程和工艺相对复杂,对设备要求较高,大批量生产存在一定的困难。F