摘要
铜由于其优异的传导性和优良耐腐蚀性，被广泛应用于电气领域中，高性能铜合金是用于电气化主体接触线、电阻焊电极、高速连接器元件、汽车线束、引线框架等的关键材料之一。随着发展的需要，对高强高导铜合金提出了更高强度、更好的抗软化性等要求。目前高强高导铜合金存在着强度和导电性成倒置关系以及高温软化两大问题。石墨烯是由sp2碳原子构成的在径向上具有高强度、超高导电性与导热性的一种新型碳材料，本文以石墨烯作为增强相，希望在有效提高复合材料力学性能的同时，实现材料高强高导和高软化温度的综合调控。 本文通过粉末冶金及挤压技术制备了三种石墨烯含量(0.5vol.%、1.0vol.%和2.0vol.%)、三种挤压温度(室温、300℃和600℃)和三种挤压比(10.6∶1、16.0∶1和27.0∶1)的石墨烯铜基复合材料，制备路线为通过低能球磨对石墨烯与电解铜粉进行混粉得到复合粉末，之后对粉末真空烧结得到石墨烯铜基复合块体，最后对烧结态块体进行挤压得到石墨烯铜基复合棒材。对棒材室温力学性能、传导性、软化温度进行测试，对微观组织进行研究后得到如下主要结果： (1)烧结态材料致密度是石墨烯铜基复合材料的重要指标，烧结态致密度能直接影响挤压态棒材致密度进而影响棒材的导电性和力学性能，本文发现导电率与棒材致密度成正关系。石墨烯的添加略微提高了棒材的导电率，部分棒材超过了100%IACS。 (2)挤压比10.6、石墨烯含量2.0vol.%、室温挤压的棒材的屈服强度、抗拉强度和维氏硬度相较于纯铜提升较为显著，塑性却较低，表现出加工硬化现象。其余参数的棒材的抗拉强度相较于纯铜提升不明显。塑性较低的棒材中石墨烯含量2.0vol.%时断裂方式为韧性断裂，石墨烯含量1.0vol.%时断裂方式为脆性断裂。塑性较低棒材与以导电率、最大延伸率和抗拉强度为标准优选的棒材进行比较可知石墨烯含量与挤压温度的匹配能避免棒材塑性较低的情况产生。 (3)石墨烯含量2.0vol%、挤压温度为600℃，挤压比为27和16的棒材的软化温度分别为848℃和812℃，石墨烯铜基复合棒材的软化机制主要为再结晶晶粒的长大，是碳元素的重新分布和铜基体再结晶相互影响、综合作用的结果。850℃退后后碳元素重新分布，沿晶界富集形成三维网络状结构。在低温退火时出现退火硬化现象 (4)退火孪晶在石墨烯铜基复合材料的导电性和增强增塑扮演了重要角色。退火孪晶界为共格Σ3孪晶界，铜基体中退火孪晶界降低了界面电阻。通过EBSD统计得到棒材Σ3晶界比例基本在40%以上，并在棒材中发现了许多低Σ(3、9、27)三叉晶界。低温退火时，退火孪晶能通过分割晶界和相互交叉来细化晶粒，从而在退火硬化中产生强化作用。 (5)石墨烯铜基复合棒材中存在主要强化方式：孪晶增塑、形变强化、细晶强化和退火硬化。细晶强化分为为碳元素抑制在街机和晶界迁移、网络状“类石墨烯碳”包裹着晶粒和孪晶细化机制三部分。退火硬化机制有：1.退火后退火孪晶分割晶粒、相互交错导致硬化；2.引起碳原子在晶界偏聚，引起硬度上升；3.碳原子颗粒在晶内可能引起晶格畸变，钉扎位错。退火孪晶的形成有助于在不降低铜基体的传导性能的同时，增强铜基体的强度和塑性，两条低Σ晶界构成的三叉晶界能阻断晶界失效。
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