石墨烯—铜复合材料研究新进展-

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《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》范文

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《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》篇一一、引言随着科技的不断进步,新型材料的研究与开发已成为当今科学研究的热点之一。

石墨烯增强铜基复合材料以其卓越的力学、热学及电学性能在诸多领域得到广泛应用。

本文将针对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺进行详细阐述,并对其性能进行深入研究。

二、制备工艺1. 材料选择制备石墨烯增强铜基复合材料,首先需要选择高质量的石墨烯和纯度较高的铜基材料。

石墨烯具有优异的导电性、导热性及力学性能,而铜基材料则具有良好的塑性和加工性能。

2. 制备过程(1)石墨烯的制备:采用化学气相沉积法或氧化还原法制备石墨烯。

(2)铜基材料的预处理:将铜基材料进行熔炼、铸造、轧制等工艺,得到一定厚度的铜基板材。

(3)石墨烯与铜基材料的复合:将制备好的石墨烯与铜基板材进行复合,可采用热压法、搅拌法等方法。

在此过程中,通过调整石墨烯的含量、分散性等因素,可优化复合材料的性能。

3. 后续处理将复合材料进行退火、轧制等后续处理,以进一步提高材料的性能。

三、性能研究1. 力学性能石墨烯增强铜基复合材料具有较高的硬度、强度及韧性。

通过调整石墨烯的含量,可实现材料力学性能的优化。

此外,石墨烯的加入可提高材料的耐磨性,延长使用寿命。

2. 热学性能石墨烯具有优异的导热性能,可有效提高铜基复合材料的导热性能。

此外,复合材料的热稳定性也得到显著提高。

3. 电学性能石墨烯具有优异的导电性能,使得铜基复合材料具有良好的电导率。

同时,石墨烯的加入还可提高材料的抗腐蚀性能,有利于在恶劣环境下使用。

四、应用前景石墨烯增强铜基复合材料在电子、电气、机械、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

例如,可用于制备导电材料、散热材料、高性能结构件等。

随着科技的不断发展,其应用领域还将不断拓展。

五、结论本文对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能进行了深入研究。

通过选择合适的材料、优化制备工艺及调整石墨烯含量等因素,可制备出具有优异力学、热学及电学性能的复合材料。

石墨烯-铜复合材料研究新进展

石墨烯-铜复合材料研究新进展
自2 0 0 4 年 英 国 Ma n c h e s t e r 大学 的 N o v o s e l o v 等[ 1 】 首次 用 机 械 剥 的纳米层复合材料作为冲击靶 , 靶的边界固定 。 纯金属作为冲击弹, 离法获得单层石墨烯 以来 , 石墨烯以其独特的结构 , 优异 的电学 、 热 从复合材料的上面垂直冲击 , 冲击速度设为 6 k m / s , 这个速度是根据 学、 化 学和 力 学性 能 迅 速引 起 了 广 泛地 关 注 。石 墨 烯 是 一 种 由碳 原 分子动力学模拟得到 的, 它足够穿透一个单层的石墨烯 。 结果表 明, 子以s p z 杂 化 连 接 密 堆 积 构 成 的 二 维 晶 体 ,具 有 良好 的 导 热 性 能 复合材料 中位错 的运动被石墨烯界面阻碍 , 而在相同厚度的纯铜中 5 0 0 0 W/ ( m・ K ) 闭 , 室 温下 电荷 迁 移 率 高 达 1 5 , O 0 0 c m 2 / ( V・ s ) , 比表 面 位错导致 了材料被击穿。冲击后 , 复合材料 中石墨烯上半部分的金 积为 2 6 3 0 m 2 / g t 4 1 , 杨 氏模 量 和 力 学 性 能 分 别 为 1 . 0 2 T P a和 1 3 0 G P a t  ̄ 。 属温 度 明显 高 与 下半 部 分金 属 的 温度 。 进一 步 的 分子 动力 学 模 拟 发 石 墨烯 的这 些优 良性能 使 其 成 为材 料 科 学领 域 研 究 的 热 点对 象 , 通 现 , 冲击波在纯金 属靶 的传播过程中滑移带是稳定和连续的 , 而在 过 与 其 他材 料 的 复合 可 以利 用 石 墨 烯 优 良的特 性 赋 予 复 合 材 料 更 金属 一 石 墨烯 纳米 层 复 合材 料 中 滑移 带 被石 墨烯 界 面 阻 隔 ,石 墨 烯 加优异的性能。 石墨烯与金属的复合是石墨烯纳米复合材料研究中 前后 的金属层 中滑移带的传播是不稳定 的。研究结果表明 , 石墨烯 很重要 的一部分 ,特别是石墨烯一 铜复合材料的研究是 目前材料研 界面在 冲击加载下对于增强 复合材料发挥着两方面的作用。一方 究 领 域 的热 点 之一 。主要 综 述 了 国内 外 对石 墨 烯 一 铜 复 合 材 料 理论 面, 由于石墨烯相对弱的抗弯刚度可以将石 墨烯界面近似作为 自由 研 究 的最 新 进 展 , 给 出研 究 中得 到 的重 要 成 果 , 并 指 出 目前 石 墨 烯 一 边界来考虑, 这样将导致层问反射和冲击波减弱 。 另一方面, 强 的面 金 属 复合 材 料研 究 过 程 中 的困难 。 内s p 带结构阻碍 了位错的传播和金属层的融化 。由于石墨烯界面 石墨 烯 的加 入 使 得石 墨 烯一 铜 复合 材 料 不 仅 可 以获 得 高 导 电导 的阻碍作用 , 弹性 回复在加强效应中起着重要 的作用 , 通过减小层 热的性 能, 还能很好地弥补传统铜及铜合金强度较低的缺点 。这是 间 的距 离 可 以提 高 冲击 的 强度 。 由于石墨烯在复合材料中起到阻碍位错运动的作用 , 使位错运动需 H u a n g 等[ 应用分子动力学模拟研究 了铜一 石墨烯纳米层复合 要更大 的应力来越过障碍 , 从而提高了材料 的强度 , 也提高了材料 材料 的抗 辐照 损 伤 和界 面 的稳 定 性 。研 究 发 现 , 两 层 铜 中 间夹 ~ 层 的耐磨性能 。2 0 1 0年 , X u等[ 司 利用第一性原理研究 了单 层石墨烯和 石墨烯 的箱体 ( 铜一 石墨烯界面的宽度接近 6 A )在级联 作用下 , 在 铜界 面的性质 , 结果发现 , 单层石墨烯与铜 ( 1 1 1 ) 面 的界面 内聚能 、 1 0 0 K时产生点缺陷的数 目少于相 同大小箱体 的纯铜产生 的点缺陷 强度和电子结构与它们的原子几何形貌息息相关。 N a m D o . V等喂 数 目, 同时, 不 同的温度下会发生上面相同的现象。 这说明石墨烯界 出一个物理模型来研究石墨烯一 金属界面 电子的传输过程 ,该模型 面 在级 联 作 用下 能 够加 快 重 组减 少 点 缺 陷 的 产生 , 在 一 定 程 度 上抗 是基于有效地描述石墨烯 盯能带与金属 s d和 d能带之 间的耦合 。 辐照损伤 。 除此之外 , P K A原子能量越高 , 级联引起界面的石墨烯辐 应用这个模型研究 了各种 金属一 石墨烯界 面的传输特征 ( 金属有 照损伤越严重。这个损伤使得顶部 的铜原子和低部的石墨烯重组 , C u 、 A u 、 P t 、 P d和 T i ) ,计算 出各种金属一 石墨烯一 金属复合结 构的伏 贯 穿 打 破 的 石 墨 烯形 成 柱 状 块 , 这样 破 坏 了界 面 的 稳 定 性 , 最 后 削 安 特性 , 得 出他 们 的 固有 电阻 和 电导 。其 中铜 一 石墨烯一 铜 复合 结 构 弱 了 复合 材料 抗 辐 照损 伤 能力 。 自从 2 0 0 4年 发 现 石 墨烯 以来 ,关 于它 的研究 不 断 取 得 突破 性 的伏 安 特 性是 负 电 阻非 线 性 电流 ,计 算 出铜 一 石墨 烯 界 面 的 固有 电 阻为 3 . 8 6 x 1 0 0 n・ e m , 电 导为 2 . 5 9 x 1 0  ̄・ e m  ̄ 2 o Ma o等【 明 利用 第 一性 原 进展 , 充分展示了其在理论研究和实际应用领域的巨大潜力和发展 铜 复 合材 料 研 究 方 面 的 理和格林函数的方法研究 了石墨烯 ~ 金 属异 质结构的热传输问题 , 前 景 。主 要介 绍 了 近年 来 国内外 在 石 墨烯 一 得到在 3 0 0 K时石 墨 烯 一 铜 界面 的热 阻 为 1 . 1 8 x l 0  ̄ K・ m 2 / W。在 低 温 前沿进展 。值得注意的是 , 石墨烯和金属复合材料的研究与应用中 范 围 内( 5 0 — 1 5 0 K) , 界 面热 阻 同温 度 成 反 比关 系 , 而 温 度在 1 5 0 K 到 仍存在诸多挑战。比如 : 如何实现石墨烯纳米片在金属基体 中均匀 分散 以及 改 善 石 墨烯 与 金属 间 的 接 触界 面 , 如 何 更精 确地 控 制 金 属 4 5 0 I ( 时, 热 阻 几乎 保 持不 变 。 随后 . K i m等 唰 用 石 墨 烯具 有 极 高 强 度 、 弹性 模 量 和 二 维结 构 纳米 颗粒 在 石 墨烯 表 面 的分 散 程度 和 尺 寸分 布 。 的特征 ,将石墨烯作为增强剂创建 了金属一 石墨烯的一种分层结构 参考 文献 l l No v o s e l o v K S ,Ge i m A K,MO  ̄Z O V S V,e t a 1 .E 1 e c t r i c f i e l d e f _ 的 纳米 复合 材 料 。 利用 化 学气 相 沉 积法 在 金属 沉 积 衬底 上设 置 一 层 『 石墨 烯 薄 膜 , 然 后 在 沉积 另 一 层金 属 , 并重 复 操 作 此过 程 , 最 终 形 成 f e e t i n a t o m i c a l l y t h i n c a r b o n f i l m s f J 1 . S c i e n c e , 2 0 0 4 , 3 0 6 ( 5 6 9 6 ) : 6 6 6 — 6 9. 种 金 属一 石 墨 烯多 层 复合 纳 米 材料 。在 透射 电子 显微 镜 下 进 行 微 6 耐压测试 , 以及分子动力学模拟均有效地显示 出该材料在原子水平 『 2 I B a l a n d i n A A, Gh o s h S ,B a o W Z ,e t a 1 .S u p e r i o r t h e r ma l c o n — 上 的强 度 增 强效 应 ,晶面 间距 为 7 0 n m的 铜 一 石 墨烯 多 层 纳 米 复 合 d u e t i v i t y o f s i n e — l a y e r g r a p h e n e[ J 】 . N a n o . L e t t . , 2 0 0 8 ,8 : 9 0 2 — 9 0 7 . 材料的强度可达到 1 . 5 G P a , 是纯铜材料强度 的 5 0 0 倍 。通过分子动 [ 3 ] B o l o t i n K I ,S i k e s K J , J i ng a Z , e t a 1 .U l t r a h i g h e l e c t r o n m o b i l i t y 力 学模 拟 得 出 , 这种 高 强度 是 由于 石墨 烯 纳 米 层 的存 在 �

《石墨烯-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究》范文

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《石墨烯-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究》篇一石墨烯-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究一、引言随着现代科技的发展,复合材料因其独特的物理和化学性质在众多领域得到了广泛应用。

其中,石墨烯/铜基复合材料因其高导电性、高强度和优异的热导率等特性,在电子、能源、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。

然而,其性能的发挥很大程度上取决于材料内部的界面结构特性和变形行为。

因此,本文旨在研究石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性和变形行为,为优化其性能提供理论依据。

二、石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性2.1 界面结构的形成石墨烯/铜基复合材料的界面结构是由石墨烯片层与铜基体之间的相互作用形成的。

这种相互作用包括化学键合和物理吸附等多种形式,使得石墨烯片层能够牢固地附着在铜基体上。

2.2 界面结构的特性界面结构的特性主要包括界面厚度、界面粗糙度、界面结合强度等。

研究表明,石墨烯片层与铜基体之间的界面结构具有良好的层状结构和高的界面结合强度,这使得复合材料具有良好的力学性能和物理性能。

三、石墨烯/铜基复合材料的变形行为3.1 变形机制的探讨石墨烯/铜基复合材料的变形行为与其界面结构和石墨烯的取向密切相关。

在变形过程中,石墨烯片层可以有效地阻碍位错的运动,从而提高材料的强度和韧性。

此外,石墨烯的取向也会影响材料的变形行为,使得材料具有各向异性的特性。

3.2 变形过程中的微观结构变化在变形过程中,石墨烯片层与铜基体之间的界面结构会发生一定的变化,如界面处的位错、滑移等现象。

这些变化会影响材料的力学性能和物理性能。

因此,研究变形过程中的微观结构变化对于理解材料的变形行为具有重要意义。

四、实验方法与结果分析为了研究石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性和变形行为,我们采用了多种实验方法,包括透射电子显微镜(TEM)观察、力学性能测试等。

通过这些实验方法,我们得到了以下结果:4.1 界面结构的观察与分析通过透射电子显微镜观察,我们发现石墨烯片层与铜基体之间的界面结构具有良好的层状结构和高的界面结合强度。

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《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展,材料科学领域在近年来取得了显著进展。

特别是在金属复合材料的研究方面,铜基复合材料因其在导热、导电和强度方面的优良性能而备受关注。

石墨烯作为一种新型的二维材料,具有出色的力学、电学和热学性能,因此,将石墨烯与铜基材料复合制备成新型的复合材料成为近年来的研究热点。

本文将对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺进行研究,并探讨其性能。

二、制备工艺(一)原料准备首先需要准备好高纯度的铜粉和高质量的石墨烯片材。

为确保材料的纯度和性能,所有原料均需经过严格的筛选和预处理。

(二)制备过程1. 球磨混合:将铜粉和石墨烯按照一定比例放入球磨机中,通过机械球磨使铜粉和石墨烯均匀混合。

2. 冷压成型:将混合后的粉末进行冷压成型,使其成为预定的形状和尺寸。

3. 热处理:将冷压成型的材料进行热处理,使铜粉和石墨烯在高温下形成稳定的复合结构。

(三)工艺参数优化通过调整球磨时间、球磨速度、冷压压力、热处理温度等参数,优化复合材料的制备工艺。

三、性能研究(一)力学性能通过拉伸试验、硬度试验等手段,研究石墨烯增强铜基复合材料的力学性能。

实验结果表明,添加石墨烯后,铜基复合材料的抗拉强度、屈服强度和硬度均得到显著提高。

(二)电学性能利用电导率测试仪,研究石墨烯对铜基复合材料电学性能的影响。

实验结果显示,添加适量的石墨烯能有效提高铜基复合材料的电导率。

(三)热学性能通过热导率测试,分析石墨烯对铜基复合材料热学性能的改善作用。

实验数据表明,石墨烯的加入能显著提高铜基复合材料的热导率。

四、结果与讨论(一)制备工艺的影响通过优化制备工艺参数,可以有效提高石墨烯在铜基复合材料中的分散性和界面结合强度,从而进一步提高复合材料的性能。

(二)石墨烯的作用机制石墨烯通过其出色的力学、电学和热学性能,在铜基复合材料中起到增强作用。

其片状结构能有效阻止裂纹的扩展,提高材料的力学性能;同时,石墨烯的高电导率和热导率也有助于提高铜基复合材料的电学和热学性能。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》一、引言随着科技的不断进步,新型材料的研究与开发已成为当今科研领域的重要方向。

其中,石墨烯增强铜基复合材料因其独特的物理和化学性质,在电子、能源、生物医疗等多个领域展现出广阔的应用前景。

本文将就石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺、结构性能及其潜在应用等方面进行深入的研究和探讨。

二、石墨烯增强铜基复合材料的制备(一)制备工艺本研究所涉及的复合材料采用粉末冶金法制备,其制备过程包括石墨烯与铜粉的混合、压制和烧结等步骤。

首先,通过湿化学法制备高质量的石墨烯,并与铜粉在特定条件下混合均匀。

接着,在一定的压力和温度下将混合粉末进行压制,使其成为预成形体。

最后,通过真空热压烧结工艺完成材料的制备。

(二)制备参数的优化在制备过程中,我们针对石墨烯的含量、混合工艺、压制压力和烧结温度等关键参数进行了优化。

通过调整这些参数,我们得到了具有最佳性能的复合材料。

三、石墨烯增强铜基复合材料的结构与性能(一)微观结构分析通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料的微观结构进行观察,发现石墨烯在铜基体中分布均匀,且与铜基体之间具有良好的界面结合。

此外,我们还通过X射线衍射(XRD)技术对材料的晶体结构进行了分析。

(二)力学性能分析经过硬度测试和拉伸试验,我们发现石墨烯的加入显著提高了铜基复合材料的力学性能。

与纯铜相比,复合材料具有更高的硬度和抗拉强度。

此外,我们还研究了不同石墨烯含量对复合材料力学性能的影响,发现存在一个最佳的含量值。

(三)电学性能分析通过电导率测试,我们发现石墨烯的加入对铜基复合材料的电学性能也有显著影响。

随着石墨烯含量的增加,复合材料的电导率呈现先增加后减小的趋势。

这主要是由于石墨烯具有良好的导电性,但过高的含量可能会影响复合材料中的晶界和结构完整度,导致电导率降低。

四、潜在应用分析基于石墨烯增强铜基复合材料在力学和电学方面的优异性能,该材料在众多领域展现出广泛的应用潜力。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》

《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》

《石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究》一、引言随着科技的飞速发展,复合材料因其在物理、化学、机械等领域的卓越性能,已经成为材料科学领域的研究热点。

其中,石墨烯增强铜基复合材料以其优异的导电性、高强度和高韧性等特点,在电子、电力、航空和交通等领域有着广泛的应用前景。

本文旨在探讨石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺及其性能研究,以期为相关研究提供理论和实践的参考。

二、制备工艺1. 材料选择制备石墨烯增强铜基复合材料的主要原料为高纯度铜粉和石墨烯。

其中,铜粉的粒度、纯度和形状对复合材料的性能具有重要影响;石墨烯则具有优异的导电性、力学性能和热稳定性,是提高铜基复合材料性能的关键材料。

2. 制备方法制备石墨烯增强铜基复合材料的方法主要包括机械混合法、原位生成法和化学镀膜法等。

本文采用原位生成法,通过在高温条件下将铜粉与石墨烯混合,使石墨烯在铜基体中均匀分布,从而提高复合材料的性能。

3. 制备过程(1)将高纯度铜粉与石墨烯按照一定比例混合,加入适量的球磨介质;(2)在球磨机中球磨一定时间,使铜粉与石墨烯充分混合并达到纳米级分散;(3)将混合后的粉末放入高温炉中,在惰性气氛下进行热处理,使铜粉与石墨烯发生原位反应;(4)冷却后,将复合材料粉末进行热压或冷压成型,得到所需的铜基复合材料。

三、性能研究1. 机械性能通过对石墨烯增强铜基复合材料进行拉伸试验、硬度测试和冲击试验等,可以评价其机械性能。

实验结果表明,加入适量的石墨烯可以有效提高铜基复合材料的硬度和韧性,降低其断裂伸长率。

此外,石墨烯的加入还可以显著提高铜基复合材料的耐磨性能。

2. 物理性能石墨烯增强铜基复合材料具有良好的导电性能。

通过电阻率测试和热导率测试等实验手段,可以评价其物理性能。

实验结果表明,加入适量的石墨烯可以显著提高铜基复合材料的导电性和热导率。

3. 化学性能通过对石墨烯增强铜基复合材料进行耐腐蚀性测试和抗氧化性测试等,可以评价其化学性能。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》范文

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《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展,新型材料的研究与应用日益受到关注。

其中,石墨烯增强铜基复合材料以其优异的力学、热学及电学性能,被广泛应用于各种高科技领域。

本文着重研究了石墨烯增强铜基复合材料的制备方法,并对其性能进行了详细分析。

二、制备方法1. 材料选择制备石墨烯增强铜基复合材料,首先需要选择高质量的石墨烯和纯度较高的铜基材料。

石墨烯具有优异的力学、电学及热学性能,而铜基材料则具有良好的导电性和延展性。

2. 制备过程制备过程中,首先将石墨烯与铜基材料进行混合,然后通过热压、热轧等方法使两者紧密结合。

在制备过程中,需严格控制温度、压力及时间等参数,以保证复合材料的性能。

三、性能研究1. 力学性能通过拉伸、压缩等实验,发现石墨烯增强铜基复合材料具有较高的强度和韧性。

石墨烯的加入有效地提高了铜基材料的力学性能,使其在承受外力时具有更好的抗变形能力。

2. 电学性能石墨烯增强铜基复合材料具有良好的导电性能。

与纯铜相比,复合材料的电导率略有降低,但仍保持较高的水平。

此外,石墨烯的加入还提高了材料的热导率,使其在高温环境下仍能保持良好的导电性能。

3. 热学性能石墨烯增强铜基复合材料具有优异的热稳定性。

在高温环境下,复合材料的热膨胀系数较小,有效降低了热应力的产生。

此外,石墨烯的加入还提高了材料的耐腐蚀性能,使其在恶劣环境下仍能保持良好的性能。

四、应用前景石墨烯增强铜基复合材料具有广泛的应用前景。

在电子、电力、航空航天等领域,该材料可替代传统金属材料,提高产品的性能和寿命。

此外,该材料还可用于制造高性能的导电、导热及电磁屏蔽材料,满足不同领域的需求。

五、结论本文研究了石墨烯增强铜基复合材料的制备方法及其性能。

通过实验发现,石墨烯的加入有效提高了铜基材料的力学、电学及热学性能。

该材料具有广泛的应用前景,可替代传统金属材料,提高产品的性能和寿命。

未来,随着科技的不断发展,石墨烯增强铜基复合材料将在更多领域得到应用,为人类社会的发展做出更大的贡献。

《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》范文

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《石墨烯增强铜基复合材料的制备及其性能研究》篇一摘要:本文着重研究了石墨烯增强铜基复合材料的制备过程,以及该复合材料在结构与性能上的显著提升。

通过系统性的实验设计与分析,本文详细探讨了不同比例石墨烯的添加对铜基材料的影响,并对其力学性能、电导率和热导率等进行了深入研究。

一、引言随着科技的发展,新型材料在各个领域的应用越来越广泛。

石墨烯因其卓越的物理和化学性质,被视为一种革命性的材料。

铜基复合材料则因结合了铜的高导电性和高导热性,在众多领域有着广泛应用。

将石墨烯与铜基材料复合,有望进一步提升材料的综合性能。

二、材料制备1. 材料选择选择高纯度的铜粉和石墨烯作为原材料。

石墨烯的添加量分别设定为1%、3%、5%和7%,以研究不同比例石墨烯对铜基复合材料性能的影响。

2. 制备方法采用机械合金化法,将铜粉与不同比例的石墨烯混合,并在高能球磨机中进行球磨混合,以实现石墨烯与铜粉的均匀分布。

之后通过热压烧结法将混合粉末烧结成块状材料。

三、性能研究1. 力学性能通过硬度测试和拉伸试验,研究了不同比例石墨烯对铜基复合材料力学性能的影响。

实验结果表明,随着石墨烯含量的增加,材料的硬度逐渐提高,拉伸强度也有所增强。

当石墨烯含量达到5%时,复合材料的综合力学性能达到最优。

2. 电导率与热导率利用电导率测试仪和热导率测试仪,分别对复合材料的电导率和热导率进行了测试。

结果显示,适量石墨烯的添加能够显著提高铜基复合材料的电导率和热导率。

当石墨烯含量为3%时,复合材料的电导率和热导率达到最佳状态。

四、结果与讨论实验结果表明,适量石墨烯的添加可以显著提高铜基复合材料的力学性能、电导率和热导率。

这是因为石墨烯具有优异的力学性能、电学性能和热学性能,能够有效地增强铜基材料的综合性能。

然而,当石墨烯含量过高时,可能会在材料内部形成团聚现象,反而降低材料的综合性能。

因此,选择合适的石墨烯含量对于制备高性能的铜基复合材料至关重要。

五、结论本文通过实验研究了石墨烯增强铜基复合材料的制备过程及其性能。

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石墨烯—铜复合材料研究新进展*石墨烯是一种新型低维碳材料它具有优异的光学、电学、热学和力学性能,被认为是具有战略意义的新材料,近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域的研究热点,而石墨烯-金属复合材料是石墨烯应用的重点研究方向之一。

从理论研究方面概述了国内外对石墨烯-铜复合材料的最新研究进展,阐述了石墨烯-铜界面对位错、热传输有阻碍作用和一定抗辐照损伤的能力,重点介绍其中一些具有优异性能的研究结果及其在目前研究中面临的困难。

标签:石墨烯-铜复合材料;辐照损伤;位错自2004年英国Manchester大学的Novoselov等[1]首次用机械剥离法获得单层石墨烯以来,石墨烯以其独特的结构,优异的电学、热学、化学和力学性能迅速引起了广泛地关注。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接密堆积构成的二维晶体,具有良好的导热性能5000W/(m·K)[2],室温下电荷迁移率高达15,000cm2/(V·s)[3],比表面积为2630m2/g[4],杨氏模量和力学性能分别为1.02TPa和130GPa[5]。

石墨烯的这些优良性能使其成为材料科学领域研究的热点对象,通过与其他材料的复合可以利用石墨烯优良的特性赋予复合材料更加优异的性能。

石墨烯与金属的复合是石墨烯纳米复合材料研究中很重要的一部分,特别是石墨烯-铜复合材料的研究是目前材料研究领域的热点之一。

主要综述了国内外对石墨烯-铜复合材料理论研究的最新进展,给出研究中得到的重要成果,并指出目前石墨烯-金属复合材料研究过程中的困难。

石墨烯的加入使得石墨烯-铜复合材料不仅可以获得高导电导热的性能,还能很好地弥补传统铜及铜合金强度较低的缺点。

这是由于石墨烯在复合材料中起到阻碍位错运动的作用,使位错运动需要更大的应力来越过障碍,从而提高了材料的强度,也提高了材料的耐磨性能。

2010年,Xu等[6]利用第一性原理研究了单层石墨烯和铜界面的性质,结果发现,单层石墨烯与铜(111)面的界面内聚能、强度和电子结构与它们的原子几何形貌息息相关。

Nam Do.V等[7]提出一个物理模型来研究石墨烯-金属界面电子的传输过程,该模型是基于有效地描述石墨烯π能带与金属sd和d能带之间的耦合。

应用这个模型研究了各种金属-石墨烯界面的传输特征(金属有Cu、Au、Pt、Pd和Ti),计算出各种金属-石墨烯-金属复合结构的伏安特性,得出他们的固有电阻和电导。

其中铜-石墨烯-铜复合结构的伏安特性是负电阻非线性电流,计算出铜-石墨烯界面的固有电阻为3.86×10-10Ω·cm2,电导为2.59×109S·cm-2。

Mao等[8]利用第一性原理和格林函数的方法研究了石墨烯-金属异质结构的热传输问题,得到在300K时石墨烯-铜界面的热阻为1.18×10-8K·m2/W。

在低温范围内(50-150K),界面热阻同温度成反比关系,而温度在150K到450K时,热阻几乎保持不变。

随后,Kim等[9]利用石墨烯具有极高强度、弹性模量和二维结构的特征,将石墨烯作为增强剂创建了金属-石墨烯的一种分层结构的纳米复合材料。

利用化学气相沉积法在金属沉积衬底上设置一层石墨烯薄膜,然后在沉积另一层金属,并重复操作此过程,最终形成一种金属-石墨烯多层复合纳米材料。

在透射电子显微镜下进行微耐压测试,以及分子动力学模拟均有效地显示出该材料在原子水平上的强度增强效应,晶面间距为70nm的铜-石墨烯多层纳米复合材料的强度可达到1.5GPa,是纯铜材料强度的500倍。

通过分子动力学模拟得出,这种高强度是由于石墨烯纳米层的存在使得位错的传播在界面处被有效地阻止,并还发现晶面间距和多层纳米复合材料的强度之间有一种清晰的关联性。

晶面间距越小,位错运动更加困难,而此多层纳米复合材料的强度却明显增加。

郭俊贤等[10]结合嵌入原子方法、反应经验键序作用势和Morse势函数,采用分子动力学方法研究了石墨烯-铜复合材料的弹性性能和变形机制。

结果表明,石墨烯的加入可以增加复合材料的弹性模量和屈服强度;通过比较预制裂纹在单晶铜和石墨烯增强铜基复合材料中的动态扩展,发现石墨烯的加入能显著抑制裂纹的扩展;此外复合材料的塑性变形主要表现为沿石墨烯表面的滑移,表明石墨烯与金属铜的界面力学性能对于复合材料的整体性能有重要的影响。

Liu等[11]应用分子动力学模拟研究了在冲击加载下石墨烯-金属纳米层复合材料的增强效果。

在模拟研究中将金属-石墨烯-金属的纳米层复合材料作为冲击靶,靶的边界固定。

纯金属作为冲击弹,从复合材料的上面垂直冲击,冲击速度设为6km/s,这个速度是根据分子动力学模拟得到的,它足够穿透一个单层的石墨烯。

结果表明,复合材料中位错的运动被石墨烯界面阻碍,而在相同厚度的纯铜中位错导致了材料被击穿。

冲击后,复合材料中石墨烯上半部分的金属温度明显高与下半部分金属的温度。

进一步的分子动力学模拟发现,冲击波在纯金属靶的传播过程中滑移带是稳定和连续的,而在金属-石墨烯纳米层复合材料中滑移带被石墨烯界面阻隔,石墨烯前后的金属层中滑移带的传播是不稳定的。

研究结果表明,石墨烯界面在冲击加载下对于增强复合材料发挥着两方面的作用。

一方面,由于石墨烯相对弱的抗弯刚度可以将石墨烯界面近似作为自由边界来考虑,这样将导致层间反射和冲击波减弱。

另一方面,强的面内sp2带结构阻碍了位错的传播和金属层的融化。

由于石墨烯界面的阻碍作用,弹性回复在加强效应中起着重要的作用,通过减小层间的距离可以提高冲击的强度。

Huang等[12]应用分子动力学模拟研究了铜-石墨烯纳米层复合材料的抗辐照损伤和界面的稳定性。

研究发现,两层铜中间夹一层石墨烯的箱体(铜-石墨烯界面的宽度接近6 )在级联作用下,在100K时产生点缺陷的数目少于相同大小箱体的纯铜产生的点缺陷数目,同时,不同的温度下会发生上面相同的现象。

这说明石墨烯界面在级联作用下能够加快重组减少点缺陷的产生,在一定程度上抗辐照损伤。

除此之外,PKA原子能量越高,级联引起界面的石墨烯辐照损伤越严重。

这个损伤使得顶部的铜原子和低部的石墨烯重组,贯穿打破的石墨烯形成柱状块,这样破坏了界面的稳定性,最后削弱了复合材料抗辐照损伤能力。

自从2004年发现石墨烯以来,关于它的研究不断取得突破性进展,充分展示了其在理论研究和实际应用领域的巨大潜力和发展前景。

主要介绍了近年来国内外在石墨烯-铜复合材料研究方面的前沿进展。

值得注意的是,石墨烯和金属复合材料的研究与应用中仍存在诸多挑战。

比如:如何实现石墨烯纳米片在金属基体中均匀分散以及改善石墨烯与金属间的接触界面,如何更精确地控制金属纳米颗粒在石墨烯表面的分散程度和尺寸分布。

参考文献[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al. Electric field effect in atomically thin carbon films [J]. Science,2004,306(5696):666-669.[2]Balandin A A,Ghosh S,Bao W Z,et al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene [J]. Nano. Lett.,2008,8:902-907.[3]Bolotin K I,Sikes K J,Jiang Z,et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene [J].Solid State Commun.,2008,146:351-355.[4]Steurer P,Wissert R,Thomann R,et al. Functionalized graphenes and thermoplastic nanocomposites based upon expanded graphite oxide [J]. Macromol Rapid Commun.,2009,30:316-327.[5]Lee C,Wei X D,Kysar J W,et al. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene [J].Science,2008,321:385-388.[6]Xu Z P,Buehler M. Interface structure and mechanics between graphene and metal subsratesA first principles study[J].J. Phys. Cond. Matt.,2010,22(28):5301.[7]Nam Do V,Anh Le H. Transport characteristics of graphene-metal interfaces[J].Appl. Phys. Lett.,2012,101:161-605.[8]Mao R,Kong B D,Gong C,et al. First-principles calculation of thermal transport in metal/graphene systems[J].Phys. Rev. B,2013,87:165410.[9]Kim Y,Lee J,Yeom M S,et al.Strengthening effect of single-atomic-layer grapheme in metal-graphene nanolayered composites[J].Nature Communications,2013,4:2114.[10]郭俊贤,王波,杨振宇.石墨烯/Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟[J]. 复合材料学报,2014,31(1):152.[11]Liu X Y,Wang F C,Wu H A,et al. Strengthening metal nanolaminates under shock compression through dual effect of strong and weak grapheme interface[J].Appl. Phys. Lett.,2014,104:231901.[12]Huang H,Tang X B,Chen F D,et al. Radiation damage resistance and interface stability of copper-graphene nanolayered composite[J].J. Nuc. Mat.,2015,460:16-22.作者简介:蒲瑾(1983,12-),女,汉,硕士毕业于电子科技大学凝聚态物理专业,讲师,主要从事凝聚态物理方面的研究工作。

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