摘要
随着新能源交通、电子信息等技术领域的飞速发展，对高导电、高强度铜基复合材料的应用愈发迫切。碳纳米材料（CarbonNanomaterials,CNM）因其优异的强度、高电导率和载流量，是金属基复合材料理想的增强体。针对单一CNM增强铜基（CNM/Cu）复合材料广泛存在的强度-塑性-电导率不匹配的问题，本文提出采用多维CNM（一维碳纳米管，CNTs；零维碳点，GQDs）协同增强的策略，解决CNM/Cu复合材料性能不匹配的缺陷。为了充分发挥多维CNM的强化作用，需要解决的关键问题是获得增强体的均匀分散并保持本身结构完整性，同时实现良好的界面结合。针对上述研究存在的问题，本文寻求新的制备技术改善多维增强体的分散行为，开展界面结构优化设计，建立复合材料成分、微观结构和力学/电学性能的关系，从而为多维CNM协同增强复合材料的研究提供方法和理论指导。 通过分子级共混法制备CNTs-GQDs/Cu2O复合粉体，研究了不同还原温度对复合粉体形貌的影响。扫描电镜（SEM）表征结果表明，CNTs-GQDs/Cu2O复合粉体在450℃还原5h后，粉体表面出现大量亚微米孔洞，形成具有“多孔骨架”结构的CNTs-GQDs/Cu复合粉体。进一步采用球磨工艺对上述还原粉体进行变形处理，探究不同球磨工艺下复合粉体的形貌变化规律。研究发现，采用300rpm/min转速球磨5h与400rpm/转速球磨3h结合的方式，Cu基体粉末颗粒获得较好的扁平化效果，CNTs、GQDs被有效地“封装”在颗粒内部，有利于强化界面结合。 研究了不同烧结温度对复合材料性能影响，发现随着温度的升高，复合材料性能逐渐下降，这主要归因于高温烧结时（＞600℃）会对GQDs的结构造成严重破坏，降低了多维CNM的协同强化效果。开展了多维碳纳米增强相的添加比例对CNTs-GQDs/Cu复合材料性能的影响研究，系统测试了CNTs-GQDs/Cu复合材料强度-塑性-导电的综合性能。结果表明，随着CNTs的增加，复合材料抗拉强度呈现先增加后减小的变化趋势，而延伸率整体表现为逐渐下降。当GQDs、CNTs比例为1:2时获得最好的性能，其硬度为110HV，导电率85.5%IACS，抗拉强度为344MPa，延伸率为35%。相比于纯铜，CNTs-GQDs/Cu复合材料极限抗拉强度提升40.4%，这主要归因于CNTs-GQDs和基体之间有较好的结合，表面富含亲水官能团的CNTs改善了其在Cu基体中的分散性，并且GQDs多分布于晶内，发挥显著的晶内弥散强化效果。此外，GQDs-CNTs组成独特的网状结构，显著起到细化晶粒的作用。 为了进一步强化CNTs-GQDs与Cu的界面结合，开展了不同质量分数纳米Ti对复合材料界面结构和力学性能影响的研究。研究表明，添加纳米Ti可以有效改善界面润湿性，提高增强相的强化效率，进一步提升复合材料力学性能。随着纳米Ti质量分数的增加，CNTs-GQDs/Cu-(Ti)复合材料的强度持续升高，塑性则急剧下降，当Ti添加量为0.4wt.%时，CNTs-GQDs/Cu-(Ti)复合材料抗拉强度达到410MPa，相较于纯铜和CNTs-GQDs/Cu分别提升165MPa（67.3%）和66MPa（19.1%），同时维持较好的延伸率（15.4%）。微观结构分析表明，Ti颗粒的引入促进界面区域形成过渡层，优化界面结构并能够抑制位错滑移，从而有利于提高增强相的强化效果。开展了CNTs/Cu、GQDs/Cu复合材料轧制处理研究，发现轧制后复合材料的强度获得不同程度增加，这是由于热轧制过程中晶界和界面区域出现位错塞积，随着变形量的增大位错密度进一步增加，同时细碎的晶粒和位错密度的增加使得复合材料的硬度和强度大幅提升。
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