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离子束改性氧化石墨烯增强铜基复合材料组织与性能的研究

段超男  
【摘要】:电接触材料是电流的传导和转换过程最重要的材料,由于这类材料要求的技术含量非常之高,所以之前所用的电接触材料都是非常昂贵的金属Au、Ag、Pt等的合金及其复合材料,这些材料不仅造价很高,而且使用时间较短。石墨烯的发现使这一问题有了很好的解决方案,优异的性能使得石墨烯铜基复合材料能够成为新一代的电接触材料变成了可能。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,因此,界面增强增韧研究是发展高性能复合材料的重要基础。GO极易以层状堆叠的方式聚集在一起,主要原因是各分子间有范德华力,并且润湿性差,表面能高,极难与其它材料进行较好的复合。本文研究利用Cu原子对GO进行表面改性,在氧化石墨烯表面引入褶皱,改善GO的分散性和湿润性,增强氧化石墨烯与铜基体的界面结合能力,探讨Cu原子溅射对GO进行表面改性的作用机理,研究氧化石墨烯铜基复合材料的组织与性能。主要研究结果为:(1)利用扫描电镜对比了不同球磨时间及不同球磨转速下的复合粉末的形貌,在250 r/min,球磨时间为4 h的条件下铜粉由直径为50μm的球形变成了直径为30μm左右的片状结构,并且一部分GO包覆在铜片状结构上面,有少量的GO嵌入到铜片状结构当中。利用SPS对复合粉体进行烧结。将不同温度和不同压力的复合材料进行性能的对比,发现当烧结温度为800℃烧结压力为45 MPa时材料的性能达到最佳。当GO的含量为0.15%vol时材料的综合性能最好。(2)对比不同能量和时间的Cu原子溅射改性,制备出比较光滑平整的铜膜覆盖在GO表面,实验结果显示溅射时间10 min、功率50 w为最佳工艺,GO表面出现褶皱现象。(3)研究了Cu原子溅射改性GO的作用机理。GO表面及边缘的含氧官能团在Cu原子的溅射下发生发生脱氧反应。XRD结果显示生成了氧化铜和氧化亚铜。XPS结果显示配位键Cu-O中氧元素得到电子。通过Cu原子溅射后GO的表面能降低,提高了表面活性。(4)经过改性后的GO在铜基体中分散更加均匀,团聚减少。GO铜基复合材料的综合性能得到提升,包括硬度、导电率、致密度、摩擦磨损系数减小比较明显,腐蚀电位变化较大。同时也研究了复合材料的摩擦磨损行为及对其机理进行了细致的研究。Cu原子溅射后的GO和铜基体的界面结合得到了改善,通过SEM照片看到疲劳裂纹现象减少了。在Cu原子溅射过程中,所产生的氧化物也起到了润滑的作用。


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