基體粉末尺寸對(duì)石墨烯/銅復(fù)合材料組織的影響

張丹丹，沈琰，江煒

（常州工學(xué)院，江蘇 常州 213032）

石墨烯是由sp2雜化碳原子組成的二維晶體材料，具有極高的強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，被認(rèn)為是一種理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體[1]。此外，石墨烯也被選作金屬基體的潤滑相，制備具有優(yōu)異耐磨性和摩擦性的復(fù)合材料。石墨烯的二維結(jié)構(gòu)決定了其性能的各向異性，因而石墨烯在基體中的排列取向成為當(dāng)前石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2,3]。

粉末冶金技術(shù)是制備金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，工藝成熟。本文通過球磨將石墨烯粉末和片狀銅粉均勻混合，利用熱壓燒結(jié)法制備石墨烯/銅復(fù)合材料，研究了銅粉初始尺寸變化對(duì)復(fù)合材料微觀組織的影響，指出了調(diào)控基體粉末尺寸是實(shí)現(xiàn)石墨烯在金屬基體中的規(guī)則排列的一種簡(jiǎn)便方法。

1 實(shí)驗(yàn)方案

片狀銅粉CuP1的平均片徑為10μm，厚度為100 nm，純度＞99%；CuP2的平均片徑為1μm，厚度約為500 nm，純度＞99%。石墨烯GNPs的平均片徑～6μm，厚度為4～7 nm，純度99.7%。首先，將10 vol.%的GNPs與Cu粉一起在超聲波中分散2 h，然后將懸浮液過濾干燥獲得GNPs-Cu混合物。隨后，將混合粉末以160 rpm的速度球磨5 h，球料比8∶1。接著，將GNPs-Cu粉末裝入直徑為40 mm的石墨模具中，并以松散狀態(tài)振動(dòng)以促進(jìn)粉末堆疊排列。最后通過真空熱壓燒結(jié)制備復(fù)合材料，燒結(jié)溫度650 ℃，燒結(jié)壓力35 MPa，保溫時(shí)間30 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 初始銅粉的掃描電鏡照片

圖1所示為兩種不同尺寸參數(shù)的銅粉的掃描電鏡形貌照片。從圖中可以看出，兩種銅粉具有不同片徑，微觀形貌呈現(xiàn)出明顯的差異。銅粉CuP1片徑大、厚度小，表現(xiàn)出明顯的片狀特征；銅粉CuP2片徑小、厚度大，片狀特征不明顯，部分顆粒傾向于球形。

圖2 初始GNPs的掃描電鏡照片

圖2所示為GNPs的掃描電鏡形貌照片。從圖中可以看出，粉末中一部分石墨烯片層分散，另一部分片層之間相互吸附堆疊，這是由于其徑厚比（片徑/厚度）較大，表面能高，片狀特征明顯，易吸附聚集。因此，使用前應(yīng)進(jìn)行充分的超聲分散處理。

圖3 GNPs-Cu混合粉末的掃描電鏡照片

球磨后的混合粉末形貌如圖3所示。如圖3（a）所示，由于GNPs片徑小于CuP1，經(jīng)球磨混合后GNPs片層能夠涂覆于CuP1表面。另外，混合粉末中CuP1形貌與初始形貌相似，尺寸變化不大，這表明，本試驗(yàn)采用的球磨條件未對(duì)粉末形貌結(jié)構(gòu)造成明顯影響。如圖3（b）所示，GNPs片徑大于銅粉CuP2，經(jīng)過球磨處理后石墨烯片層分布于CuP2中。由于球磨過程中反復(fù)碰撞作用，GNPs表面黏附著細(xì)小的銅顆粒，這種附著現(xiàn)象有利于避免石墨烯片層之間直接接觸而產(chǎn)生嚴(yán)重的團(tuán)聚，也有利于改善后續(xù)燒結(jié)過程中兩者之間的潤濕性。

圖4 GNPs-Cu復(fù)合材料的組織照片

燒結(jié)后復(fù)合材料的微觀組織如圖4所示。從圖4中可以看到，GNPs/CuP1復(fù)合材料呈現(xiàn)出明顯的層狀組織，石墨烯規(guī)則排列于銅基體中；GNPs/CuP2復(fù)合材料中GNPs隨機(jī)分布，未呈現(xiàn)出明顯的排列規(guī)律。這表明，采用片徑大、厚度小的銅粉CuP1更利于混合粉末規(guī)則堆積，從而能夠成功地?zé)Y(jié)出石墨烯/銅層狀復(fù)合材料。

3 結(jié)論

利用粉末冶金法制備了GNPs/Cu復(fù)合材料。在工藝相同，銅粉尺寸不同時(shí)所制得的復(fù)合材料組織差別顯著。片徑大、厚度小的CuP1有利于粉末規(guī)則堆疊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了GNPs取向排列。因此，本試驗(yàn)為取向石墨烯增強(qiáng)金屬復(fù)合材料的制備提供了一種簡(jiǎn)便方法，下一步將深入研究該方法的精細(xì)調(diào)控。