銅/石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展

吳瑩瑩

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

銅及其合金因優(yōu)良的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，良好的延展性、韌性、耐腐蝕性，受到廣泛關(guān)注，應(yīng)用于日常生活各個(gè)領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的銅及合金在高溫性能、機(jī)械強(qiáng)度、摩擦性能、耐腐蝕等方面性能偏弱，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。將銅和增強(qiáng)體制備成銅基復(fù)合材料是近年來(lái)銅材料研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率，超高的力學(xué)性能和超大的比表面積，被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。近年來(lái)科研工作者對(duì)銅/石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了較多的研究，本文主要闡述近期關(guān)于銅/石墨烯復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，為科研學(xué)者們繼續(xù)深入研究提供一定的參考。

1 銅/石墨烯復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

根據(jù)增強(qiáng)效果的不同，銅/石墨烯復(fù)合材料研究主要集中在力學(xué)性能、耐磨性能、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、耐腐蝕性能等方向。

1.1 增強(qiáng)力學(xué)性能

朱威等借助分子級(jí)混合及均質(zhì)機(jī)剝離共同作用，采用放電等離子體燒結(jié)（SPS)工藝制備了銅/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。

測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明隨著氧化石墨烯含量的增加，復(fù)合材料壓縮屈服強(qiáng)度值先增大后減小，當(dāng)氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí)達(dá)到最大值481MPa，是純銅相應(yīng)值的3倍。當(dāng)氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，硬度為純銅硬度的1.7倍[1]。

凌自成等采用機(jī)械球磨濕磨法將石墨烯與納米銅粉混合，然后通過(guò)等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備得到銅/石墨烯復(fù)合材料。研究表明，在0.5%石墨烯添加，球磨時(shí)間8h時(shí)，石墨烯在銅基體中有更好的結(jié)合和分布，性能改善相對(duì)最佳，其拉伸屈服強(qiáng)度為183MPa，較純銅提高52.5%；壓縮屈服強(qiáng)度為365MPa，提升近1.4倍；HV硬度也達(dá)到1350MPa[2]。

Chen等采用原位化學(xué)氣相沉積和粉末冶金相結(jié)合的方法，制備了銅/石墨烯復(fù)合材料。首先通過(guò)共混球磨，將PMMA均勻分散在銅粉表面，然后采用化學(xué)氣相沉積法在銅粉表面原位生長(zhǎng)石墨烯，再通過(guò)粉末冶金熱壓燒結(jié)制備得到塊體復(fù)合材料。石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5wt.%的銅/石墨烯復(fù)合材料屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分布達(dá)到290MPa和308MPa，相比純銅分別提高233%和35.7%[3]。

1.2 增強(qiáng)耐磨性能

左倩等通過(guò)SPS法制備得到銅/石墨烯復(fù)合材料，其中石墨烯含量為1.0vol%。石墨烯的加入可以很好地改善材料的摩擦性能，摩擦系數(shù)從純銅的0.95降低至0.35。但銅石墨烯復(fù)合材料的相對(duì)密度較低[4]。

盧曉通等以化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金法制備石墨烯/銅基復(fù)合材料(Cu@rGO/Cu)。Cu@rGO加入銅基體后有效改善了摩擦過(guò)程中的應(yīng)力集中，使復(fù)合材料的摩擦性質(zhì)更加穩(wěn)定，耐磨性更好。當(dāng)Cu@rGO的添加量為3%時(shí)復(fù)合材料具有最佳的摩擦性能，此時(shí)摩擦系數(shù)為0.28[5]。

1.3 增強(qiáng)導(dǎo)熱性能

范增奇采用SPS技術(shù)制備得到銅/三維網(wǎng)絡(luò)石墨烯復(fù)合材料。雖然復(fù)合材料的導(dǎo)電性能相較純銅略有下降，但復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提升了15%，力學(xué)性能有所提高[6]。

王唯利用電泳沉積法制備得到銅/氧化石墨烯復(fù)合材料。在1g/L的少層氧化石墨烯水溶液中以60V的電壓沉積5min時(shí)，得到的復(fù)合材料薄膜總厚度53.35μm，熱導(dǎo)率最高達(dá)494W/(m·K)，相較于純銅熱導(dǎo)率提高24.1%，較商用薄膜最多提高11.5%[7]。

1.4 增強(qiáng)導(dǎo)電性能

侯寶森通過(guò)引入分散劑使銅粉隔離，防止銅粉在高溫下產(chǎn)生粘接，再通過(guò)CVD在1000℃生長(zhǎng)石墨烯，得到銅/石墨烯復(fù)合材料。導(dǎo)電、導(dǎo)熱分別為96%IACS、384 W/(m·K)。室溫下石墨烯/銅的接觸電阻值比銅低14%，說(shuō)明石墨烯能對(duì)界面的導(dǎo)電性有增強(qiáng)的效果，且這種效果隨著溫度升高更佳明顯[8]。

李瑗茹研究了RGO/Cu材料的電接觸特性。其制備的RGO/Cu復(fù)合材料最大電導(dǎo)率達(dá)到94.5%IACS。添加了0.02wt%RGO的合金材料在5000次電弧燒蝕測(cè)試后接觸電阻約為600mΩ，相同條件下的純合金材料的接觸電阻為700mΩ[9]。

1.5 增強(qiáng)耐腐蝕性能

馬瓊采用常壓化學(xué)氣相沉積法在銅表面沉積石墨烯，制備得到銅/石墨烯復(fù)合材料，其抗腐蝕性能比純銅箔的抗腐蝕性能提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)。更進(jìn)一步利用原子層沉積法在石墨烯表面沉積三氧化二鋁鈍化顆粒，對(duì)石墨烯的缺陷進(jìn)行鈍化處理，其耐腐蝕性能進(jìn)一步提升[10]。

戴丹等采用化學(xué)氣相沉積原位生長(zhǎng)法結(jié)合分散劑工藝，制備得到銅/石墨烯復(fù)合材料粉體，再采用真空熱壓工藝，制備了塊狀銅/石墨烯復(fù)合材料，其導(dǎo)電率高達(dá)96%IACS。在過(guò)硫酸銨溶液中浸泡90min后，銅/石墨烯復(fù)合材料試樣的質(zhì)量損失為126.6mg,銅試樣的質(zhì)量損失為202.8mg，銅/石墨烯復(fù)合材料的抗刻蝕能力提高了37.6%[11]。

2 結(jié)論

石墨烯作為理想增強(qiáng)體材料，在增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性能方面取得了顯著的成果，但增強(qiáng)導(dǎo)電和導(dǎo)熱方面的特性還沒(méi)有明顯的展示。一方面是因?yàn)榧夹g(shù)不完善，實(shí)際制備出來(lái)的石墨烯往往存在很多缺陷，大大降低了石墨烯的性能優(yōu)勢(shì)，另外一方面是銅和石墨烯之間的界面問(wèn)題影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的發(fā)揮。因此，為獲得綜合性能優(yōu)秀的銅/石墨烯復(fù)合材料還需要更加深入的研究。