摘要
随着现代高科技产业与科学技术的不断发展，人们对铜材料的性能也提出了更高的要求，寻找合适的增强体制备铜基复合材料是获得优异性能铜材料的重要研究方向。石墨烯有着优异的导电导热性、超大的比表面积等众多优点，在作为增强体优化铜基复合材料的性能方面有着很大的潜力。众多的石墨烯/铜复合材料的制备工艺中，原位生长法利用了铜的催化作用，通过更简单高效的工艺将高质量的石墨烯均匀引入基体中，并获得增强体与基体之间良好的界面结合效果，是一种有着很大的应用潜力石墨烯/铜复合材料的制备方法。 本课题基于铜催化有机碳源原位生长石墨烯的原理，设计氧化加酸化的工艺并制备了甲酸铜包裹铜核壳结构复合粉体，利用甲酸铜的升温热解对复合粉体进行碳化处理获得了石墨烯/铜复合粉体，通过SPS烧结工艺制备了石墨烯/铜复合材料，并对烧结态复合材料和轧制态复合材料的组织结构和性能展开了系统研究。 本文首先对铜粉的氧化工艺和酸化工艺进行了探究，通过对比不同氧化温度、氧化时间下铜粉氧化层的增重规律，以及不同甲酸酸化时间获得的复合粉体其物相组成最终确定氧化温度为300℃，酸化时间为1h，获得了包覆均匀的甲酸铜/铜复合粉体，对其进行升温碳化，利用甲酸铜的热解以及铜在高温下催化生长石墨烯的原理，制备了铜粒径在亚微米级和微米级尺度混合分布的石墨烯/铜复合粉体。 采用SPS烧结工艺制备了石墨烯/铜复合材料，对复合材料的组织结构观察分析发现其晶粒尺寸在亚微米级和微米级混合分布，类似于双峰结构，拉伸结果表明复合材料具有较好的抗拉强度，且塑性十分优良，断裂延伸率均在40%左右。烧结后的复合材料内部石墨烯结晶化程度进一步提高，对复合材料的透射表征发现其内部存在结构较为完整的少层石墨烯。得益于石墨烯完整的结构，其优异的性能得以体现，复合材料的电导率均在97%IACS以上，变温电阻系数均低于退火纯铜，复合材料导电性能十分优异。 通过热轧制处理对石墨烯/铜复合材料的结构进一步优化，并对轧制态复合材料组织结构和性能进行探究。研究结果表明，经过轧制处理复合材料内部石墨烯缺陷减少，结构更加完整，拉曼测试结果显示复合材料内部石墨烯大多以少层石墨烯存在且缺陷含量极少。轧制后复合材料的力学性能和电学性能进一步提升，屈服强度相比轧制前提升最高可达108%且仍保持20%以上的断裂延伸率，室温电导率最高可达101.3%IACS，在20℃-180℃范围内电阻温度系数均与退火纯铜接近。 综上所述，本文通过铜粉的氧化和酸化工艺设计，在铜粉表面原位引入甲酸铜，利用甲酸铜的升温热解，石墨烯的原位生长以及放电等离子烧结的工艺获得了具有类双峰结构的石墨烯/铜复合材料，并通过热轧处理对复合材料性能进一步优化，获得了高屈服强度、高塑性且导电性能极为优异的石墨烯/铜复合材料。
NETL