摘要
近年来，随着工业的飞速发展，工业技术领域对材料的需求逐渐提高。集成电路中的引线框架、电力汇流排、太阳能光伏铜带等领域均要求材料兼备高强度、良好的导电及导热性能。铜具有优异的导电/热性能，是目前集成电路、电力运输及电子元件散热等领域的主要候选材料。然而，铜在力学性能方面明显存在劣势，很大程度上限制了其应用。为此，开发兼备高强度、高导电导热性能的新型铜基复合材料无疑具有重要的科学意义。 石墨烯因其卓越的力学性能及导电/热性能，被认为是铜基复合材料中极具潜力的纳米增强相。鉴于贝壳珍珠母显微组织精细“砖-泥堆砌”结构赋予其强度与韧性的完美配合，本文拟利用放电等离子烧结及轧制技术制备具有“微纳叠层仿生结构”的高强度、高导电/热石墨烯增强铜基复合材料。 本文利用磁力搅拌分散，将氧化石墨烯（GO）均匀分散于乙醇中，获得氧化石墨烯悬浮液，利用喷笔将氧化石墨烯悬浮液喷涂在铜箔表面，调控喷涂时间制备出不同石墨烯含量的层状复合材料单元，即GO/Cu复合铜箔。将其层层堆叠后，利用放电等离子烧结进行制备还原氧化石墨烯（RGO）/Cu层状复合材料，并对复合材料烧结样品进行轧制处理，获得不同RGO含量的Cu基复合材料。 分析表明，GO经放电等离子烧结及热轧后转变为RGO,且经C-S分析仪测定复合材料样品的碳含量，结果显示三种复合材料中碳含量分别为0.024vol％、0.038vol％、0.111vol％,以24RGO/Cu、38RGO/Cu、111RGO/Cu分别表示上述三种复合材料。RGO/Cu复合材料显微组织分析表明，RGO均匀分布于铜箔层间，且RGO使得复合材料中的Cu晶粒明显细化，三种RGO/Cu复合材料平均晶粒尺寸分别为～33.6μm、～27.8μm、～37.6μm,明显小于纯铜的平均晶粒尺寸～49.6μm。复合材料中RGO-Cu界面HRTEM分析发现，GO未完全还原而残余的氧原子可能通过原位反应在界面处形成铜的氧化物。众所周知，石墨烯与绝大多数金属的润湿性较差，理论上难以直接形成强界面结合。上述界面反应产物的形成，有助于实现界面反应诱导润湿并强化界面，为复合材料力学性能的改善提供了保障。 复合材料的拉伸测试结果表明，24RGO/Cu复合材料的屈服强度达到239.7MPa,相比于纯铜提高了36.5％;韧性达到93.9±1.5MJ·m-3,略高于纯铜，实现了复合材料强度和韧性的同步改善。更为重要的是，24RGO/Cu及38RGO/Cu复合材料增强效率值分别达到560和752,明显高于目前石墨烯增强铜基复合材料的增强效率(4-488)。进一步分析表明，复合材料的强化机制主要为载荷传递强化、细晶强化、热失配强化;RGO/Cu复合材料中铜层塑性变形能力的提升、晶粒细化及层间界面对裂纹扩展的阻碍使得复合材料实现了强度与韧性的完美配合。 复合材料导热性能测试发现，三组RGO/Cu复合材料的导热系数分别为316.7W·m-1·K-1、307.0W·m-1·K-1、326.1W·m-1·K-1,相比于相同制备工艺的纯铜样品仅下降了9.3％、12.0％、6.5％;同时，RGO/Cu复合材料的电导率约为96.9-97.7％IACS,尽管相比纯铜有略微下降，但仍然表现出优异的导电性能。
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